Електрика сприймається нами як даність і навряд чи хто замислюється над тим, що таке електрична напруга і яка його фізична сутність, коли вмикає світло, комп'ютер або пральну машину. Насправді ж воно заслуговує набагато більшої уваги, і не тільки тому, що може бути смертельно небезпечним, а й через те, що Людство, оволодівши цим видом енергії, вчинила якісний цивілізаційний стрибок.
Природа електричної напруги
Згадаймо один з найцікавіших моментів на шкільному уроці фізики, коли викладач обертав диск електричної машини, а між металевими кульками проскакувала іскра. Це і є видиме відображення природного феномена під назвою електричний струм. Він виникає через те, що на одній кульці негативно заряджених іонів більше, а на іншому менше, через що виникає різниця потенціалів, тобто факт, що порушує основний закон Природи - збереження енергії.
Сила, рушійна заряджені частинки
Щоб поставити собі на службу електричну напругу і струм, людині треба було знайти силу, яка могла відновлювати різницю потенціалів між полюсами, породжуючи безперервне зіткнення частинок кристалічної решітки. Їх виявилося цілих три:
- Електромагнітна індукція - виникнення струму в результаті взаємозалежного переміщення металів в магнітному полі. Використовується в генераторах постійного і змінного струму.
- Електрохімічне взаємодія, породжувана різницею потенціалів кристалічних решіток речовин. Використовується в акумуляторах, батареях живлення постійного струму.
- Термохімічна реакція, що підвищує активність електронів в результаті нагрівання.
Сила, що породжує рух заряджених частинок, отримала найменування «електрорушійна» (абревіатура ЕРС) і позначається на схемах буквою «Е», зазвичай супутньої мнемосімволам роз'ємів, до яких підключається джерело живлення.
Вольти і ампер
ЕРС і напруга вимірюються в вольтах - умовної одиниці, названої на честь італійця Алессандро Вольти, офіційно визнаного винахідника гальванічної батареї - джерела постійного струму. Це кількість роботи, яка відбувається при переміщенні одиниці заряду (кулона), якщо при цьому було витрачено 1 джоуль умовної енергії.
Однак існує й інша одиниця виміру електричного струму - ампер, названа на честь французького фізика Андре-Марі Ампера. Традиційно її називають силою струму, хоча правильніше застосовувати термін «магнитодвижущая сила», що найбільш повно відображає двоєдину фізичну сутність зарядженої частинки.
Магнітне і електричне поля електрона прагнуть до взаємної компенсації, а їх залежність визначається законом Ома, описуваного формулою I = U / R. Якщо опір середовища різко падає (наприклад, при короткому замиканні), то сила струму зростає по експоненті. Це викликає у відповідь падіння напруги, в результаті чого система приходить в рівноважний стан. Подібний ефект можна помітити під час роботи зварювального трансформатора, коли при виникненні дуги лампи розжарювання майже гаснуть.
Існує й інший ефект: при великому опорі середовища заряд одного знака накопичується на якій-небудь поверхні до тих пір, поки напруга не досягне критичного рівня, після чого відбувається пробій (виникнення струму) в напрямку поверхні з найбільшою різницею потенціалу. Статична напруга надзвичайно небезпечно, оскільки в момент розряду воно може породжувати струми силою в сотні ампер. Тому металеві конструкції, тривалий час знаходяться в магнітному полі, обов'язково заземлюються.
Постійний або змінний?
Напруга - це статична складова електрики, а сила струму - динамічна, адже його напрямок змінюється разом з полярністю на кінцях провідника. І це властивість виявилося дуже корисним для поширення електрики по Світу. Справа в тому, що будь-який струм загасає через внутрішнього опору середовища, згідно все того ж закону збереження енергії. Але виявилося, що рухається в одну сторону потік електронів посилити дуже складно, а циклічно змінює напрямок - просто, для цього застосовується трансформатор з двома обмотками на одному сердечнику.
Щоб отримати змінний струм, треба вивернути навиворіт принцип, відкритий Фарадеєм, який в своєму прообраз електричного генератора обертав мідний диск в поле дії постійного магніту. Нікола Тесла зробив навпаки - помістив обертається електромагніт всередину нерухомою обмотки, отримавши несподіваний ефект: в момент проходження полюсів через нейтраль магнітного поля амплітуда напруги падає до нуля, а потім знову зростає, але вже з іншим знаком. За один оборот напрямок руху електронів в провіднику змінюється два рази, складаючи робочу фазу. Тому змінний струм називають ще й фазним. А що породжує його напруга - синусоїдальним.
Нікола Тесла створив генератор з двома обмотками, розташованими під кутом в 90 0 один до одного, а український інженер М.О. Доливо-Добровольський удосконалив його, розташувавши на статорі три, що збільшило стабільність роботи електричної машини. В результаті цього промисловий змінний струм став трифазним.
Чому 220 вольт 50 Гц?
У нашій країні побутова однофазна мережа має номінали 220 вольт і 50 герц. Причина появи саме цих цифр досить цікава.
Пальма першості в побутовому освоєнні електрики належить Томасу Едісону. Він використовував виключно постійний струм, оскільки геніального винаходу Ніколою Тесла змінного ще не відбулося.
Першим електричним приладом виявилася лампа розжарювання з вугільною ниткою. Досвідченим шляхом було встановлено, що найкраще вона працює при напрузі в 45 вольт і включеному в ланцюг баластному опорі, що забезпечує розсіювання ще двадцяти. Прийнятна тривалість роботи забезпечувалася послідовним включенням двох ламп. Разом у побутовій мережі, на думку Едісона, повинно було бути 110 вольт.
Однак передача постійного струму від електростанцій до споживачів супроводжувалася великими труднощами: через одну-дві милі він загасав повністю. За Закон Джоуля - Ленца кількість тепла, що розсіюється провідником при проходженні струму, обчислюється за такою формулою: Q = R. I 2. Щоб знизити втрати вчетверо, напруга збільшили до 220 вольт, а силову лінію побудували з трьох провідників - з двома «плюсами» і одним «мінусом». Споживач отримував все ті ж 110 вольт.
Протистояння Ніколи Тесли і Томаса Едісона, назване «Війною струмів», вирішилося на користь змінного, оскільки його можна було передавати на великі відстані з мінімальними втратами. Проте напруга між силовими провідниками залишилося 220, а лінійне, що надходить до споживача - 127 вольт, оскільки через зсув фаз на 120 градусів амплітуди напруги не складаються арифметично, а множаться на 1,73 - корінь квадратний з трьох.
В СРСР мережевим номіналом 127 вольт в одній фазі користувалися до початку 60-х років. В ході удосконалення електричних ліній, проведеного з метою збільшення переданої потужності, конструктори пішли тим самим шляхом, що і Едісон - підвищили напругу.
За точку відліку взяли 220 вольт, які вимірювалися між фазами. Воно стало побутовим. А промислове міжфазне напруга 380 вольт вийшло множенням 220 на 1,73. Частота 50 Гц - це 3 тис. Коливань в хвилину, тобто, оптимальна кількість обертів коленвала дизеля або іншого двигуна внутрішнього згоряння, який приводить в дію машину змінного струму.
Тепер ви знаєте, що таке напруга і електричний струм, в яких одиницях вони вимірюються і як залежать один від одного, а також чому у вашій розетці саме 220 вольт. Наведені факти не носять академічного характеру і не претендують на істину в останній інстанції. Більш детально ознайомитися з природою цього феномена ви можете в підручниках з електротехніки.
(Поки оцінок немає)