Как работает электричество

[Carding 4 Carders]

Электричество освещает наш мир, но откуда оно взялось?

Люди настолько тесно связаны с электричеством, что практически невозможно отделить от него свою жизнь. Конечно, вы можете сбежать из мира пересекающихся линий электропередач и прожить свою жизнь полностью вне сети, но даже в самых уединенных уголках мира есть электричество. Если он не освещает грозовые тучи над головой или не потрескивает статической искрой на кончиках ваших пальцев, то он движется по нервной системе человека, оживляя волю мозга в каждом движении, дыхании и бездумном сердцебиении.

Когда та же таинственная сила наполняет энергией прикосновение любимого человека, удар молнии и гриль Джорджа Формана, возникает любопытная двойственность: мы принимаем электричество как должное в одну секунду и таращимся на его силу в следующую. Прошло более двух с половиной веков с тех пор, как Бенджамин Франклин и другие доказали, что молния является формой электричества, но все еще трудно не вздрогнуть, когда особенно сильная вспышка освещает горизонт. С другой стороны, никто никогда не изображает поэзию над зарядным устройством для сотового телефона.

Электричество питает наш мир и наши тела. Использование его энергии - это одновременно область воображаемого колдовства и будничной повседневной жизни - от тоста Императора Палпатина за Люка Скайуокера до простого извлечения диска «Звездных войн» из вашего ПК. Несмотря на то, что мы знакомы с его эффектами, многие люди не могут точно понять, что такое электричество - повсеместная форма энергии, возникающая в результате движения заряженных частиц, таких как электроны. Отвечая на этот вопрос, даже известный изобретатель Томас Эдисон просто определил его как «режим движения» и «систему вибраций».

В этой статье мы постараемся дать менее скользкий ответ. Мы расскажем, что такое электричество, откуда оно берется и как люди подчиняют его своей воле.

Для нашей первой остановки мы отправимся в Грецию, где любознательные древние ломали голову над тем же феноменом, который поражает вас, когда вы касаетесь металлического предмета после того, как шаркаете по ковру в холодный и сухой день.

Электростатика и закон Кулона​

Иллюстрация лейденской банки.

Древние люди знали об электричестве, хотя и не понимали этого полностью. Фалес Милетский, греческий философ, известный как один из легендарных семи мудрецов, возможно, был первым человеком, изучившим электричество, около 600 г. до н.э. Натирая янтарь - окаменелую древесную смолу - мехом, он смог притягивать пыль, перья и другие легкие предметы. Это были первые эксперименты с электростатикой, изучение стационарных электрических зарядов или статического электричества. На самом деле слово электричество происходит от греческого «электрон», что означает янтарь.

Эксперименты продолжались только в 17 веке. Именно тогда Уильям Гилберт, английский врач и ученый-любитель, начал изучать магнетизм и статическое электричество. Он повторил исследования Фалеса Милетского, натирая предметы друг о друга и заряжая их трением. Когда один объект притягивает или отталкивает другой, он ввел термин «электрический» для описания действующих сил. Он сказал, что эти силы возникли из-за того, что трение удаляло жидкость или «юмор» из одного из объектов, оставляя вокруг него «испарение» или атмосферу.

Эта концепция - что электричество существует в виде жидкости - сохранялась до 1700-х годов. В 1729 году английский ученый Стивен Грей заметил, что некоторые материалы, такие как шелк, не проводят электричество. Его объяснение заключалось в том, что таинственная жидкость, описанная Гилбертом, могла проходить сквозь объекты или мешать путешествию. Ученые даже построили сосуды для этой жидкости и изучали ее действие. Голландские производители инструментов Эвальд фон Клейст и Питер ван Мушенбрук создали то, что сейчас известно как лейденская банка, стеклянная банка с водой и гвоздь, в которой может храниться электрический заряд. Когда Мушенбрук впервые использовал банку, он получил сильный шок.

К концу 1700-х годов научное сообщество начало получать более ясную картину того, как работает электричество. Бенджамин Франклин провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем в 1752 году, доказав, что молния имеет электрическую природу. Он также представил идею о том, что у электричества есть положительные и отрицательные элементы и что поток течет от положительного к отрицательному. Примерно 30 лет спустя французский ученый по имени Шарль Огюстен де Кулон провел несколько экспериментов по определению переменных, влияющих на электрическую силу. Его работа привела к закону Кулона, который гласит, что одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные - притягиваются, с силой, пропорциональной произведению зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Закон Кулона позволил вычислить электростатическую силу между любыми двумя заряженными объектами, но не раскрыл фундаментальную природу этих зарядов. Что было источником положительных и отрицательных зарядов? Как мы увидим в следующем разделе, ученые смогли ответить на этот вопрос в 1800-х годах.

Электричество и атомная структура​

Внутри атома.

К концу XIX века наука развивалась впечатляющими темпами. Автомобили и самолеты были на грани изменения образа жизни в мире, а электроэнергия неуклонно проникала во все больше и больше домов. Тем не менее, даже ученые того времени все еще считали электричество чем-то отдаленно мистическим. Только в 1897 году ученые открыли существование электронов - и именно здесь начинается современная эра электричества.

Материя, как вы, наверное, знаете, состоит из атомов. Разбейте что-нибудь на достаточно мелкие кусочки, и вы получите ядро, вращающееся вокруг одного или нескольких электронов, каждый с отрицательным зарядом. Во многих материалах электроны прочно связаны с атомами. Дерево, стекло, пластик, керамика, воздух, хлопок - все это примеры материалов, в которых электроны прикрепляются к своим атомам. Поскольку эти атомы не хотят делиться электронами, эти материалы не могут проводить электричество очень хорошо, если вообще проводят их. Эти материалы представляют собой электроизоляторы.

Однако у большинства металлов есть электроны, которые могут отделяться от атомов и перемещаться по ним. Их называют свободными электронами. Свободные электроны облегчают прохождение электричества через эти материалы, поэтому они известны как электрические проводники. Они проводят электричество. Движущиеся электроны передают электрическую энергию из одной точки в другую.

Некоторым из нас нравится думать об атомах как о домашних собаках, а об электронах как о блохах. Собаки, которые жили внутри или внутри огороженной территории, тем самым сдерживая этих надоедливых блох, были бы эквивалентом электрического изолятора. А вот бродячие дворняги будут электрическими проводниками. Если бы у вас был один район домашних избалованных мопсов и один район диких бассет-хаундов без ограждения, как вы думаете, какая группа могла бы быстрее всего распространить вспышку блох?

Итак, электричеству нужен проводник, чтобы двигаться. Также должно быть что-то, что заставляет электричество течь из одной точки в другую через проводник. Один из способов заставить электричество течь - использовать генератор.

Святое электричество
В конце 19 века у электричества действительно была благородная или даже божественная репутация - до такой степени, что члены научного сообщества протестовали против идеи электрического стула как деградации как электричества, так и научных достижений, сделавших возможным казнь преступника электрическим током. Что могли подумать эти критики о таких современных чудесах, как средство для удаления черных точек на батарейках или ужас на танцполе, известный как электрическая горка?

Генераторы​

Если вы когда-либо перемещали скрепки с помощью магнита или убивали время, укладывая металлическую стружку в бороду на игрушке «Шерстяной Вилли», то вы баловались основными принципами, лежащими в основе даже самых сложных электрических генераторов. Магнитное поле, отвечающее за выстраивание всех этих маленьких кусочков металла в правильную стрижку ирокез, связано с движением электронов. Подвиньте магнит к скрепке, и вы заставите электроны в скрепке двигаться. Точно так же, если вы позволите электронам перемещаться по металлической проволоке, вокруг нее образуется магнитное поле.

Благодаря Вули Вилли мы видим определенную связь между явлениями электричества и магнетизма. Генератор это просто устройство , которое перемещает магнит вблизи проволоки , чтобы создать устойчивый поток электронов. Действие, которое заставляет это движение, сильно варьируется, от ручных кривошипов и паровых двигателей до ядерного деления, но принцип остается тем же.

Один простой способ представить себе генератор - это представить, что он действует как насос, проталкивающий воду по трубе. Только вместо того, чтобы толкать воду, генератор использует магнит, чтобы толкать электроны. Это небольшое упрощение, но оно дает полезную картину свойств, работающих в генераторе. Водяной насос перемещает определенное количество молекул воды и оказывает на них определенное давление. Таким же образом магнит в генераторе толкает определенное количество электронов и оказывает на них определенное «давление».

В электрической цепи количество движущихся электронов называется силой тока или током и измеряется в амперах. «Давление», толкающее электроны, называется напряжением и измеряется в вольтах. Например, генератор, вращающийся со скоростью 1000 оборотов в минуту, может выдавать 1 ампер при 6 вольт. 1 ампер - это количество движущихся электронов (1 ампер физически означает, что 6,24 x 10 18 электронов перемещаются по проводу каждую секунду), а напряжение - это величина давления за этими электронами.
Генераторы составляют основу современной электростанции. В следующем разделе мы рассмотрим, как работает одна из этих станций.

Фарадей: покровитель электричества
Британский физик и химик девятнадцатого века Майкл Фарадей проложил путь для нашего современного мира, движимого электричеством. Знаменитый изобретатель создал первый электрический генератор, названный динамо-машиной, а также первый электродвигатель. Чтобы узнать больше о задействованных технологиях, прочтите «Как работают электродвигатели и как работают электромагниты».

Производство электроэнергии​

Ниагарский водопад: Он красив и обладает огромной кинетической энергией, которую мы используем для гидроэнергетики.

В генераторе Майкла Фарадея катушки из медной проволоки, вращающиеся между полюсами магнита, производят постоянный электрический ток. Один из способов вращать диск - провернуть его вручную, но это непрактичный способ получения электричества. Другой вариант - прикрепить вал генератора к турбине, а затем позволить другому источнику энергии питать турбину. Падающая вода - один из таких источников энергии, и, фактически, первая из когда-либо построенных крупных электростанций использовала огромную кинетическую энергию, поставляемую Ниагарским водопадом.

Джордж Вестингауз открыл этот завод в 1895 году, но с тех пор принципы его работы не сильно изменились. Во-первых, инженеры строят плотину через реку, чтобы создать резервуар для накопленной воды. Они размещают водозабор возле дна стены плотины, который позволяет воде вытекать из водохранилища через узкий канал, называемый затвором.. Турбина - представьте себе огромный пропеллер - сидит в конце водовода. Вал турбины идет вверх в генератор. Когда вода движется по турбине, она вращается, вращая вал и, в свою очередь, вращая медные катушки генератора. Когда медные катушки вращаются внутри магнитов, вырабатывается электричество. Линии электропередач, подключенные к генератору, несут электроэнергию от электростанции в дома и на предприятия. Завод Westinghouse в Ниагарском водопаде смог транспортировать электроэнергию на расстояние более 200 миль (322 км).

Не все электростанции полагаются на падающую воду. Многие используют пар, который действует как жидкость и поэтому может передавать энергию турбине и, в конечном итоге, генератору. Самый популярный способ получения пара - нагревание воды путем сжигания угля. Также возможно использовать контролируемые ядерные реакции для превращения воды в пар. Вы можете прочитать о различных типах электростанций в статьях «Как работают гидроэлектростанции», « Как работает ветровая энергия» и « Как работает атомная энергия». Просто имейте в виду, что все они работают по одному и тому же основному принципу преобразования механической энергии - вращающейся турбины - в электрическую.

Конечно, использование генератора для производства электроэнергии - это только начало. После того, как вы заставите электроны двигаться, вам понадобится электрическая цепь, чтобы что-нибудь с ними делать. Узнайте, почему в следующий раз.

Электрические схемы​

Аккумуляторы.

Когда вы вставляете батарею в электронное устройство, вы не просто высвобождаете электричество и отправляете его для выполнения задачи. Отрицательно заряженные электроны хотят попасть в положительную часть батареи - и если им придется увеличить скорость вашей личной электробритвы, чтобы добраться туда, они это сделают. На очень простом уровне это очень похоже на воду, текущую по ручью и вынужденную вращать водяное колесо, чтобы добраться из точки А в точку Б.

Независимо от того, используете ли вы аккумулятор, топливный элемент или солнечный элемент для производства электроэнергии, три вещи всегда одинаковы:

1. Источник электричества должен иметь две клеммы: положительную клемму и отрицательную клемму.
2. Источник электричества (будь то генератор, батарея или что-то еще) захочет вытолкнуть электроны из своего отрицательного вывода при определенном напряжении. Например, одна батарейка AA обычно выталкивает электроны при напряжении 1,5 вольт.
3. Электроны должны будут течь от отрицательной клеммы к положительной через медный провод или какой-либо другой проводник. Когда есть путь, который идет от отрицательной клеммы к положительной, у вас есть цепь, и электроны могут течь через провод.

Вы можете прикрепить к середине цепи любой тип нагрузки, например, лампочку или двигатель. Источник электричества питает нагрузку, и нагрузка будет выполнять любую задачу, для которой она предназначена, от вращения вала до генерации света.

Электрические цепи могут быть довольно сложными, но в основном у вас всегда есть источник электричества (например, батарея), нагрузка и два провода для передачи электричества между ними. Электроны движутся от источника через нагрузку и обратно к источнику.

У движущихся электронов есть энергия. Когда электроны перемещаются из одной точки в другую, они могут выполнять свою работу. Например, в лампе накаливания энергия электронов используется для создания тепла, а оно, в свою очередь, создает свет. В электродвигателе энергия электронов создает магнитное поле, и это поле может взаимодействовать с другими магнитами (посредством магнитного притяжения и отталкивания), создавая движение. Поскольку двигатели так важны для повседневной деятельности и поскольку они, по сути, являются генератором, работающим в обратном направлении, мы рассмотрим их более подробно в следующем разделе.

Электродвигатели​

Взгляните на большой подковообразный электромагнит, который использовал английский физик и химик Майкл Фарадей около 1830 года.

Как мы уже говорили, генератор преобразует механическую энергию в электричество. Двигатель работает по тем же принципам, но в противоположном направлении - он преобразует электрическую энергию в механическую. Для этого двигателю нужен особый магнит, известный как электромагнит. В простейшей форме это железный стержень, обернутый катушкой из проволоки. Если пропустить через провод электрический ток, в железном стержне образуется магнитное поле, и он становится магнитом с определенными северным и южным полюсами. Выключите ток, и магнитные свойства исчезнут.

Сами по себе электромагниты полезные вещи. Вы можете использовать их, чтобы поднимать металлические предметы, переносить их куда-нибудь, а затем бросать, просто выключив питание. Например, кровельщики используют их, чтобы подбирать гвозди, случайно упавшие во двор домовладельца. А на разборках есть краны со встроенными электромагнитами, достаточно сильными, чтобы поднимать и перемещать целые автомобили.

Электромагниты особенно полезны, когда они размещены на оси между двумя неподвижными магнитами. Если южный полюс электромагнита расположен напротив южного полюса одного неподвижного магнита, а его северный полюс - напротив северного полюса другого стационарного магнита, электромагнит будет вращаться, пока противоположные полюсы не выровняются. Это было бы не очень полезно, за исключением того, что полярность электромагнитов зависит от направления тока. Пропустите электрический ток в одном направлении, и северный полюс магнита окажется с одной стороны; измените направление тока, и северный полюс окажется на противоположной стороне. В двигателях устройство, известное как коммутатор.меняет направление электрического тока на противоположное. Поскольку полюса электромагнита вращаются вперед и назад, магнит может вращаться без перерыва. Это, конечно, краткое объяснение, поэтому вы можете прочитать «Как работают электрические двигатели», чтобы узнать все подробности.

Оказывается, механическая энергия, создаваемая электродвигателем, может найти хорошее применение в самых разных машинах. Многие инструменты в вашем гараже, бытовая техника в вашем доме и игрушки, с которыми играют дети, полагаются на моторы. Некоторым из этих двигателей для работы требуется большой ток. Другим, например, небольшим двигателям постоянного тока, используемым в роботах и моделях, для эффективной работы требуется очень небольшое напряжение или ток. Мы продолжим наш разговор о напряжении и токе в следующем разделе.

Напряжение, ток и сопротивление​

Наряду с напряжением и током сопротивление является одной из трех основных единиц электричества. Как показано ниже, светящаяся нить в лампе накаливания позволяет нам увидеть сопротивление в действии.

Как упоминалось ранее, количество электронов, движущихся в цепи, называется током и измеряется в амперах. «Давление», толкающее электроны, называется напряжением и измеряется в вольтах. Если вы живете в Соединенных Штатах, розетки в стене вашего дома или квартиры выдают 120 вольт каждая.

Если вы знаете, какие амперы и вольт задействованы, вы можете определить количество потребляемой электроэнергии, которое мы обычно измеряем в ватт-часах или киловатт-часах . Представьте, что вы подключаете обогреватель к розетке. Вы измеряете силу тока, протекающего от розетки к обогревателю, и она составляет 10 ампер. Это означает, что это нагреватель мощностью 1200 ватт. Если вы умножите вольты на амперы, вы получите мощность. В этом случае 120 вольт, умноженное на 10 ампер, равняется 1200 ваттам. Это верно для любого электрического прибора. Если вы подключите свет, и он потребляет половину усилителя, это будет лампочка мощностью 60 Вт.

Допустим, вы включаете обогреватель, а затем смотрите на измеритель мощности снаружи. Счетчик предназначен для измерения количества электричества, поступающего в ваш дом, чтобы энергетическая компания могла выставить вам счет за него. Предположим - мы знаем, что это маловероятно - что в доме больше ничего не включено, поэтому счетчик измеряет только электричество, используемое обогревателем.

Ваш обогреватель потребляет 1,2 киловатта (1200 ватт). Если вы оставите обогреватель включенным на один час, вы будете использовать 1,2 киловатт-часа электроэнергии. Если ваша энергетическая компания взимает с вас 10 центов за киловатт-час, то энергетическая компания будет взимать с вас 12 центов за каждый час, когда вы оставляете обогреватель.
Теперь добавим к току и напряжению еще один фактор: сопротивление, которое измеряется в омах. Мы можем расширить аналогию с водой, чтобы понять сопротивление. Напряжение равно давлению воды, сила тока равна скорости потока, а сопротивление равно размеру трубы.

Основное уравнение электротехники, называемое законом Ома, объясняет, как связаны эти три члена. Ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Написано это так:
I = V / R
где I обозначает ток (измеряется в амперах), V - напряжение (измеряется в вольтах), а R символизирует сопротивление (измеряется в омах).
Допустим, у вас есть резервуар с водой под давлением, подключенный к шлангу, который вы используете для полива сада. Если увеличить давление в баке, из шланга будет выходить больше воды, верно? То же самое и с электрической системой: увеличение напряжения приведет к большему току.

Теперь предположим, что вы увеличили диаметр шланга и всех фитингов бака. Эта регулировка также приведет к тому, что из шланга будет выходить больше воды. Это похоже на уменьшение сопротивления в электрической системе, что увеличивает ток.

Если вы посмотрите на обычную лампочку накаливания, вы увидите аналогию с водой в действии. Нить накала лампочки - это очень тонкий провод. Эта тонкая проволока сопротивляется потоку электронов. Вы можете рассчитать сопротивление провода с помощью уравнения сопротивления.

Допустим, у вас есть лампочка на 120 Вт, подключенная к розетке. Напряжение составляет 120 вольт, а через 120-ваттную лампочку протекает 1 ампер. Вы можете рассчитать сопротивление нити накала, изменив уравнение:
R = V / I

Итак, сопротивление составляет 120 Ом.
Помимо этих основных электрических концепций, существует практическое различие между двумя разновидностями тока. Часть тока является постоянным, а часть - переменным - и это очень важное различие.

Постоянный ток в сравнении с переменным током​

Батареи, топливные элементы и солнечные элементы производят то, что называется постоянным током (DC). Положительный и отрицательный полюсы батареи всегда соответственно положительный и отрицательный. Ток всегда течет в одном и том же направлении между этими двумя клеммами.

С другой стороны, мощность, поступающая от электростанции, называется переменным током (AC). Направление тока меняется или меняется 60 раз в секунду (в США) или 50 раз в секунду (например, в Европе). В настенной розетке в Соединенных Штатах имеется 120-вольтное напряжение переменного тока с периодом 60 циклов.

Большим преимуществом переменного тока для электросети является тот факт, что относительно легко изменить напряжение источника питания с помощью устройства, называемого трансформатором. Энергетические компании таким образом экономят большие деньги, используя очень высокие напряжения для передачи энергии на большие расстояния.
Как это работает? Что ж, допустим, у вас есть электростанция, которая может производить 1 миллион ватт энергии. Один из способов передать эту мощность - послать 1 миллион ампер при напряжении 1 вольт. Другой способ передать его - посылать 1 ампер на 1 миллион вольт. Для передачи 1 А требуется только тонкий провод, и во время передачи на тепло теряется не так много энергии. Для отправки 1 миллиона ампер потребуется огромный провод.

Таким образом, электроэнергетические компании преобразуют переменный ток в очень высокие напряжения для передачи (например, 1 миллион вольт), затем снова понижают его до более низких напряжений для распределения (например, 1000 вольт) и, наконец, до 120 вольт внутри дома для безопасности. Как вы можете себе представить, убить человека напряжением 120 вольт намного сложнее, чем током в 1 миллион вольт (и большинство смертей от электрического тока сегодня полностью предотвращается с помощью розеток GFCI). Чтобы узнать больше, прочтите Как работают электросети.
Осталась одна важная электрическая концепция, которую мы не обсуждали: заземление.

Тесла, Топси и Эдисон
Ожесточенное соперничество между изобретателями, разбирающимися в электричестве, может показаться выдумкой, но напряженность между Томасом Эдисоном и Никой Тесла была реальной. Тесла выступал за переменный ток, а Эдисон настаивал, что это слишком опасно. Единственными жертвами этой «войны токов» были животные, которых Эдисон публично казнил электрическим током высоковольтной системой Теслы, чтобы доказать свою точку зрения. Первыми жертвами были собаки и кошки, но в конце концов Эдисон ударил слона по имени Топси.

Электрическое заземление​

Системы распределения электроэнергии подключаются к земле много раз. Обратите внимание на провод, тянущийся по краю опоры на этой фотографии.

Когда речь заходит об электричестве, вы часто слышите об электрическом заземлении или просто о заземлении. Например, электрический генератор скажет: «Перед использованием обязательно подключите его к заземлению», или прибор может предупредить: «Не используйте без соответствующего заземления».

Получается, что энергокомпания использует Землю как один из проводов в энергосистеме. Планета является хорошим проводником, и она огромна, так что это удобный обратный путь для электронов. «Земля» в распределительной сети - это буквально земля, которая окружает вас, когда вы выходите на улицу. Это грязь, камни, грунтовые воды и так далее.

Если вы посмотрите на опорную стойку, вы, вероятно, сможете заметить оголенный провод, идущий по ее стороне. Это соединяет заземляющий провод антенны напрямую с землей. На каждой опоре электросети на планете есть такой неизолированный провод. Если вы когда-нибудь наблюдаете, как электроэнергетическая компания устанавливает новый столб, вы увидите, что конец этого неизолированного провода прикреплен в виде катушки к основанию столба. Эта катушка находится в прямом контакте с землей после установки мачты и находится в глубине от 2 до 3 метров под землей. Если вы внимательно осмотрите полюс, вы увидите, что провод заземления, проходящий между полюсами, прикреплен к этому прямому соединению с землей.

Точно так же возле измерителя мощности в вашем доме или квартире есть медный стержень длиной 6 футов (2 метра), вбитый в землю. К этому стержню подключаются заземляющие вилки и все нейтральные вилки каждой розетки в вашем доме. Об этом также говорится в нашей статье «Как работают электросети» .