Что такое электричество

Электричество

Электри́чество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества [1] .

Содержание

История

Одним из первых электричество привлекло внимание греческого философа Фалеса в VII веке до н. э., который обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον : электрон) приобретает свойства притягивать легкие предметы [2] . Однако долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году появился сам термин электричество («янтарность»), а в 1650 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания [3] . В 1729 году англичанин Стивен Грей провел опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество [4] . В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шелк и смолы о шерсть [5] . В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создает первый электрический конденсатор — Лейденская банка.

Первую теорию электричества создает американец Б. Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний [6] . Изучение электричества переходит в плоскость точной науки после открытия в 1785 году Закона Кулона.

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой [1] . В 1802 г. Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).

Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создает на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привел Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», — утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году.

В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).

В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединенную теорию электрослабых взаимодействий.

Теория

Электрический заряд — это свойство тел (количественно характеризуемое физической величиной того же названия), проявляющееся прежде всего в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него оказывать воздействие на другие заряженные (то есть обладающие электрическим зарядом) тела [7] . Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (выбор, какой именно заряд назвать положительным, а какой отрицательным, считается в науке чисто условным, однако этот выбор уже исторически сделан и теперь — хоть и условно — за каждым из зарядов закреплен вполне определенный знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и имеют, таким образом, место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм) (Эрстед, Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон — положительный.

Наиболее общая фундаментальная наука, имеющая предметом электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них (то есть практически полностью покрывающая тему электричества, за исключением таких деталей, как электрические свойства конкретных веществ, как то электропроводность итп) — это электродинамика. Квантовые свойства электромагнитных полей, заряженных частиц итп изучаются наиболее глубоко квантовой электродинамикой, хотя часть из них может быть объяснена более простыми квантовыми теориями.

Электричество в природе

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке. Молнии издавна вызывали лесные пожары. По одной из версий именно молнии привели к первоначальному синтезу аминокислот и появлению жизни на земле (Эксперимент Миллера — Юри и Теория Опарина — Холдейна).

Для процессов в нервной системе человека и животных решающее значение имеет зависимость пропускной способности клеточной мембраны для ионов натрия от потенциала внутриклеточной среды. После повышения напряжения на клеточной мембране натриевый канал открывается на время порядка 0,1 — 1,0 мс., что приводит к скачкообразному росту напряжения, затем разность потенциалов на мембране снова возвращается к своему первоначальному значению. Описанный процесс кратко называется нервным импульсом. В нервной системе животных и человека информацию от одной клетки к другой передают нервные импульсы возбуждения длительностью около 1 мс. Нервное волокно представляет собой цилиндр, наполненный электролитом. Сигнал возбуждения передается без уменьшения амплитуды вследствие эффекта кратковременного увеличения проницаемости мембраны для ионов натрия.

Многие рыбы используют электричество для защиты и поиска добычи под водой. Разряды напряжения южноамериканского электрического угря могут достигать величины напряжения в 500 Вольт. Мощность разрядов электрического ската может достигать 0,5 кВт. Акулы, миноги, некоторые сомообразные используют электричество для поиска добычи. Электрический орган рыб работает с частотой несколько сотен герц и создает напряжение в несколько вольт. Электрическое поле улавливается электрорецепторами. Находящиеся в воде предметы искажают электрическое поле. По этим искажениям рыбы легко ориентируются в мутной воде [8] .

Образ электричества в культуре

В мифологии существуют боги, способные метать разряды молнии: у греков Зевс, Волгенче из марийского пантеона, Агни — бог индусов, одна из форм которого — молния, Перун — бог-громовержец в древнерусском пантеоне, Тор — бог грома и бури в германо-скандинавской мифологии.

Одной из первых попыталась осмыслить образ электричества Мэри Шелли в драме «Франкенштейн, или Современный Прометей», где оно предстает силой, с помощью которой можно оживлять трупы. В диснеевском мультфильме Чёрный Плащ существует повелевающий электричеством антигерой Мегавольт, а в японской анимации — электрический покемон (Пикачу).

Практическое использование

Начиная с XIX века электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Электричество используют для освещения [9] (электрическая лампа) и передачи информации (телеграф, телефон, радио, телевидение), а также для приведения механизмов в движение (электродвигатель), что активно используется на транспорте [10] (трамвай, метро, троллейбус, электричка) и в бытовой технике (утюг, кухонный комбайн, стиральная машина, посудомоечная машина).

В целях получения электричества созданы оснащенные электрогенераторами электростанции, а для его хранения — аккумуляторы и электрические батареи.

Сегодня также электричество используют для получения материалов (электролиз), для их обработки (сварка, сверление, резка), умерщвления преступников (электрический стул) и создания музыки (электрогитара).

Хронология основных открытий и изобретений

Примечания

1. ↑ 12 Спиридонов О. П. «Универсальные физические постоянные», М., «Просвещение», 1984, с. 52, ББК 22.3 С72
2. ↑Электричество до Франклина
3. ↑Электростатическая машина Герике
4. ↑Первые опыты по передаче электричества на расстояние
5. ↑История электричества
6. ↑Открытие электричества
7. ↑ Это не единственное свойство заряженных тел; например, заряженные тела при движении способны создавать еще и магнитное поле, а также подвергаются воздействию последнего (также в случае своего движения).
8. ↑ Богданов К. Ю. Физик в гостях у биолога. — М.: «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986, 144 с. (Б-чка «Квант», Вып. 49) тир. 135000 экз., ББК 22.3 + 28 Гл. 1. Живое электричество.
9. ↑Жителям Подмосковья электричество не светит
10. ↑Из-за отключения электричества в Санкт-Петербурге встал электротранспорт

Литература

• Калашников С. Г. Электричество. — М., Наука, 1985. — 576 с.
• Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме / пер. с англ. — М.: Наука, 1989.
• Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. — М., Высшая школа, 1983. — 463 с.
• Поль Р. В. Учение об электричестве / пер. с нем. — М.: ГИФМЛ, 1962.
• Тамм И. Е. Основы теории электричества. — М.: Наука, 1989. — 504 с.
• Томилин А. Н. Рассказы об электричестве. — М., ДЛ, 1984.
• Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству / пер. с англ. — М.: Издательство АН СССР, 1947
• Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством / пер. с англ. — М.: Издательство АН СССР, 1956
• Эйхенвальд А. А. Электричество. — М., Государственное технико-теоретическое издательство, 1933

• Электричество

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Электричество» в других словарях:

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — (от греч. elektron янтарь, так как янтарь притягивает легкие тела). Особенное свойство некоторых тел, проявляющееся только при известных условиях, напр. при трении, теплоте, или химических реакциях, и обнаруживающееся притягиванием более легких… … Словарь иностранных слов русского языка

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, электричества, мн. нет, ср. (греч. elektron). 1. Субстанция, лежащая в основе строения материи (физ.). || Своеобразные явления, сопровождающие движение и перемещение частиц этой субстанции, форма энергии (электрический ток и т.п.) … Толковый словарь Ушакова

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием заряженных тел или частиц носителей электрических зарядов. Связь электричества и магнетизма взаимодействие неподвижных электрических зарядов осуществляется… … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — (от греч. elektron янтарь) совокупность явлений, в которых обнаруживается существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных частиц. Учение об электричестве один из основных разделов физики. Часто под… … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, форма энергии, существующая в виде статических или подвижных ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ. Заряды могут быть положительными или отрицательными. Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные притягиваются. Силы взаимодействия между… … Научно-технический энциклопедический словарь

электричество — лепиздричество, электроток, лепестричество, лепистричество, ток, электроэнергия, освещение Словарь русских синонимов. электричество сущ., кол во синонимов: 13 • актиноэлектричество … Словарь синонимов

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — в самом общем смысле представляет одну из форм движения материи. Обычно же под этим словом понимают или электрический заряд как таковой или самое учение об электрических зарядах, их движении и взаимодействии. Слово Э. происходит от греч. электрон … Большая медицинская энциклопедия

электричество — (1) [IEV number 151 11 01] EN electricity (1) set of phenomena associated with electric charges and electric currents NOTE 1 – Examples of usage of this concept: static electricity, biological effects of electricity. NOTE 2 – In… … Справочник технического переводчика

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, а, ср. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Электричество — – 1. Проявление одной из форм энергии, присущая электрическим зарядам как движущимися, так и находящимися в статическом состоянии. 2. Область науки и техники, связанная с электрическими явлениями. [СТ МЭК 50(151) 78] Рубрика термина:… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — совокупность явлений, в которых обнаруживаются существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) электрических зарядов (см. (4)). Учение об электричестве один из основных разделов физики … Большая политехническая энциклопедия

Просто о сложном — электричество

СОДЕРЖАНИЕ:
ВСТУПЛЕНИЕ
НАПРЯЖЕНИЕ, СОПРОТИВЛЕНИЕ, ТОК
ПРЕДОХРАНИТЕЛИ, АВТОМАТЫ, ТЕРМОРЕГУЛЯТОРЫ
РАЗНОВИДНОСТЬ ПРОВОДОВ
СВОЙСТВА ТОКА
ТРАНСФОРМАТОР
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ТРЁХФАЗНОЕ ПИТАНИЕ
ОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
ЗАЩИТА
ПОСЛЕСЛОВИЕ
СТИХОТВОРЕНИЕ ПРО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
ДРУГИЕ СТАТЬИ

В одном из эпизодов "Цивилизация" я критиковал несовершенство и громоздкость образования, потому что оно, как правило, преподаётся за-наученным языком, нашпигованным непонятными терминами, без наглядных примеров и образных сравнений. Эта точка зрения не изменилась, но мне наскучило быть голословным, и я попытаюсь описать принципы электричества простым и понятным языком.

Убеждён, что все многотрудные науки, особенно описывающие явления, которые человек не может постичь своими пятью чувствами (зрение, слух, обоняние, вкус, осязание), например, квантовая механика, химия, биология, электроника — должны преподаваться в виде сравнений и примеров. А ещё лучше — создать красочные учебные мультфильмы о невидимых процессах внутри материи. Сейчас я за полчаса сделаю из Вас электро-технически грамотных людей. И так, начинаю описание принципов и законов электричества при помощи образных сравнений.

НАПРЯЖЕНИЕ, СОПРОТИВЛЕНИЕ, ТОК

Можно вращать колесо водяной мельницы толстой струёй со слабым напором или тонкой с большим напором. Напор — это напряжение (измеряется в ВОЛЬТах), толщина струи — ток (измеряется в АМПЕРах), а общая сила бьющая в лопатки колеса — мощность (измеряется в ВАТТах). Водяное колесо образно сравним с электродвигателем. То есть, может быть высокое напряжение и малый ток или низкое напряжение и большой ток, а мощность в обоих вариантах одинаковой.

Напряжение в сети (розетке) стабильно (220 Вольт), а ток всегда разный и зависит от того, что мы включаем, а точнее от сопротивления, которым обладает электроприбор. Ток = напряжение разделить на сопротивление, или мощность разделить на напряжение. Например, на чайнике написано — мощность (Power) 2,2 кВт, значит 2200 Вт (W) — Ватт, делим на напряжение (Voltage) 220 В (V) — Вольт, получаем 10 А (Ампер) — ток, который течёт при работе чайника. Теперь напряжение (220 Вольт) делим на рабочий ток (10 Ампер), получаем сопротивление чайника — 22 Ом (Ома).

По аналогии с водой, сопротивление похоже на трубу заполненную пористым веществом. Чтобы продавить воду через эту пещеристую трубку необходимо определённое давление (напряжение), а количество жидкости (ток) будет зависеть от двух факторов: этого давления, и того, насколько проходима трубка (её сопротивления). Такое сравнение подходит нагревательным и осветительным приборам, и называется АКТИВНЫМ сопротивлением, а сопротивление катушек эл. двигателей, трансформаторов и эл. магнитов работает иначе (об этом несколько позже).

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ, АВТОМАТЫ, ТЕРМОРЕГУЛЯТОРЫ

Если сопротивление отсутствует, то ток стремится увеличиться до бесконечности и расплавляет провод — это называется коротким замыканием (КЗ). Чтобы защитить от этого эл. проводку ставятся предохранители или автоматические выключатели (автоматы). Принцип действия предохранителя (вставка плавкая) предельно прост, это умышленно-тонкое место в эл. цепи, а где тонко — там рвётся. В керамическом термостойком цилиндре вставлена тонкая медная проволока. Толщина (сечение) проволоки значительно тоньше эл. проводки. Когда ток превышает допустимый предел — проволока перегорает и "спасает" провода. В рабочем режиме проволока может сильно нагреваться, поэтому для её охлаждения внутри предохранителя засыпан песок.

Но чаще для защиты эл.проводки используются не предохранители, а автоматические выключатели (автоматы). Автоматы имеют две функции защиты. Одна срабатывает, когда в сеть включают слишком много электроприборов и ток превышает допустимый предел. Это биметаллическая пластина, изготовленная из двух слоёв разных металлов, которые при нагревании расширяются не одинаково, один больше, другой меньше. Через эту пластину проходит весь рабочий ток, и когда он превышает предел, то она нагревается, выгибается (из-за неоднородности) и размыкает контакты. Автомат обычно не сразу удаётся включить обратно, потому что пластина ещё не остыла.

(Такие пластины широко применяются и в термо-датчиках защищающих многие бытовые приборы от перегрева и перегорания. Разница лишь в том, что пластину нагревает не проходящий через неё запредельный ток, а непосредственно сам нагревательный элемент прибора, к которому датчик плотно привинчен. В приборах с желаемой температурой (утюги, обогреватели, стиральные машины, водонагреватели) предел отключения устанавливается ручкой термо-регулятора, внутри которого тоже есть биметаллическая пластина. Она, то размыкает, то замыкает контакты поддерживая заданную температуру. Как если, не меняя силу огня конфорки, то ставить на него чайник, то снимать.)

Ещё внутри автомата есть катушка из толстого медного провода, через которую тоже проходит весь рабочий ток. При коротком замыкании сила магнитного поля катушки достигает мощности, которая сжимает пружину и втягивает подвижный стальной стержень (сердечник) установленный внутри неё, а он мгновенно выключает автомат. В рабочем режиме силы катушки недостаточно, чтобы сжать пружину сердечника. Таким образом автоматы обеспечивают защиту от короткого замыкания (КЗ), и от длительной перегрузки.

Провода электропроводки бывают алюминиевыми или медными. От их толщины (сечения в квадратных миллиметрах) зависит максимально допустимый ток. Например, 1 квадратный миллиметр меди выдерживает 10 Ампер. Типовые стандарты сечения проводов: 1,5; 2,5; 4 "квадрата" — соответственно: 15; 25; 40 Ампер — их допустимые длительные токовые нагрузки. Алюминиевые провода выдерживают ток меньше приблизительно в полтора раза. Основная масса проводов имеет виниловую изоляцию, которая плавится при перегревании провода. В кабелях используется изоляция из более тугоплавкой резины. А бывают провода с фторопластовой (тефлоновой) изоляцией, которая не плавится даже в огне. Такие провода могут выдерживать бОльшие токовые нагрузки, чем провода имеющие ПВХ изоляцию. Провода для высокого напряжения имеют толстую изоляцию, например на автомобилях в системе зажигания.

Для электрического тока необходима замкнутая цепь. По аналогии с велосипедной, где ведущая звезда с педалями соответствует источнику эл. энергии (генератору или трансформатору), звезда на заднем колесе — электроприбор, который мы включаем в сеть (обогреватель, чайник, пылесос, телевизор и т.п.). Верхний отрезок цепи, который передаёт усилие с ведущей на заднюю звезду аналогичен потенциалу с напряжением — фазе, а нижний отрезок, который пассивно возвращается — нулевому потенциалу — нулю. Поэтому в розетке два отверстия (ФАЗА и НОЛЬ), как в системе водяного отопления — приходящая труба, по которой поступает кипяток, и обратка — по ней уходит вода отдавшая тепло в батареях (радиаторах).

Токи бывают двух видов — постоянный и переменный. Естественный постоянный ток, который течёт в одном направлении (подобно воде в отопительной системе или велосипедной цепи) производят только химические источники энергии (батарейки и аккумуляторы). Для более мощных потребителей (например, трамваев и троллейбусов) его "выпрямляют" из переменного тока посредством полупроводниковых диодных "мостов", которые можно сравнить с защёлкой дверного замка — в одну сторону пропускают, в другую — запираются. Но такой ток получается неровным, а пульсирующим, как пулемётная очередь или отбойный молоток. Для сглаживания импульсов ставятся конденсаторы (ёмкость). Их принцип можно сравнить с большой полной бочкой, в которую льётся "рваная" и прерывистая струя , а из её крана снизу вода вытекает стабильно и ровно, и чем больше объём бочки — тем качественнее струя. Ёмкость конденсаторов измеряется в ФАРАДах.

Во всех бытовых сетях (квартирах, домах, офисных зданиях и на производстве) ток переменный, его легче вырабатывать на электростанциях и трансформировать (понижать или повышать). А большинство эл. двигателей могут работать только на нём. Он течёт туда-обратно, как если набрать в рот воды, вставить длинную трубочку (соломинку), другой её конец погрузить в полное ведро, и попеременно, то выдувать, то втягивать воду. Тогда рот будет аналогичен потенциалу с напряжением — фазе, а полное ведро — нулём, который сам по себе не активен и не опасен, но без него невозможно движение жидкости (тока) в трубке (проводе). Или, как при распиливании бревна ножовкой, где рука будет фазой, амплитуда движения — напряжением (В), усилие руки — током (А), энергичность — частотой (Гц), а само бревно — эл. прибором (обогревателем или эл. двигателем), только вместо распиливания — полезная работа. Половой акт тоже подходит для образного сравнения, мужчина — "фаза", женщина — НОЛЬ!, амплитуда (длина) — напряжение, толщина — ток, скорость — частота.

Количество колебаний всегда неизменно, и всегда такое, какое производится на электростанции и подаётся в сеть. В Российских сетях число колебаний — 50 раз в секунду, и называется частотой переменного тока (от слова чАсто, а не чИсто). Единица измерения частоты — ГЕРЦы (Гц), то есть в наших розетках всегда 50 Гц. В некоторых странах частота в сетях 100 Герц. От частоты зависит скорость вращения большинства эл. двигателей. На 50-ти Герцах максимальное число оборотов — 3000 об/мин. — на трёх-фазном питании и 1500 об/мин. — на однофазном (бытовом). Переменный ток также необходим для работы трансформаторов, которые понижают высокое напряжение (10 000 Вольт) до обычного бытового или промышленного (220/380 Вольт) на электро-подстанциях. А также для малых трансформаторов в электронной аппаратуре, которые понижают 220 Вольт до 50, 36, 24 Вольт и ниже.

Трансформатор состоит из электротехнического железа (набранного из пакета пластин), на котором через изолирующую катушку намотан провод (медная проволока покрытая лаком). Одна обмотка (первичная) выполнена из тонкого провода, но с большим числом витков. Другая (вторичная) намотана через слой изоляции поверх первичной (или на соседней катушке) из толстого провода, но с малым числом витков. На концы первичной обмотки приходит высокое напряжение, и вокруг железа возникает переменное магнитное поле, которое наводит ток во вторичной обмотке. Во сколько раз в ней (вторичной) меньше витков — во столько же будет ниже напряжение, а во сколько раз толще провод — во столько больший ток можно снимать. Как если, бочка с водой будет наполняться тонкой струёй, но с огромным напором, а снизу из большого крана будет вытекать толстая струя, но с умеренным напором. Аналогичным образом трансформаторы могут быть наоборот — повышающими.

В нагревательных элементах, в отличии от трансформаторных обмоток, бОльшему напряжению будет соответствовать не количество витков, а длина нихромовой проволоки, из которой сделаны спирали и тэны. Например, если распрямить спираль электрической плитки на 220 Вольт, то длина проволоки будет примерно равна 16-20 метрам. То есть, чтобы намотать спираль на рабочее напряжение 36 Вольт, нужно 220 разделить на 36, получится 6. Значит длина проволоки спирали на 36 Вольт будет в 6 раз короче, примерно 3 метра. Если спираль интенсивно обдувается вентилятором, то она может быть в 2 раза короче, потому что поток воздуха сдувает с неё тепло и не даёт перегореть. А если наоборот закрыта, то длиннее, иначе перегорит от недостатка теплоотдачи. Можно, к примеру, включить два тэна на 220 Вольт одинаковой мощности последовательно в 380 Вольт (между двух фаз). И тогда каждый из них будет под напряжением 380 : 2 = 190 Вольт. То есть на 30 Вольт меньше расчётного напряжения. В таком режиме они будут греться немного (на 15%) послабее, зато никогда не перегорят. Так же и с лампочками, например, можно последовательно соединить 10 одинаковых лампочек на 24 Вольта, и включить их гирляндой в сеть 220 Вольт.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Передавать электроэнергию на большие расстояния (от гидро или атомной электростанции до города) целесообразно только под большим напряжением (100 000 Вольт) — так толщину (сечение) проводов на опорах воздушных линий электропередач можно сделать минимальной. Если бы электроэнергию передавали сразу под небольшим напряжением (как в розетках — 220 Вольт), то провода воздушных линий пришлось бы делать толщиной с брёвна, и никаких запасов алюминия на это не хватило бы. К тому же высокое напряжение легче преодолевает сопротивление провода и контактов соединений (у алюминия и меди оно ничтожно, но на длине в десятки километров всё же набегает прилично), подобно несущемуся на бешеной скорости мотоциклисту, который легко перелетает через ямы и овражки.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ТРЁХФАЗНОЕ ПИТАНИЕ

Одна из основных потребностей в переменном токе — асинхронные эл. двигатели, широко распространённые из-за своей простоты и надёжности. Их роторы (вращающаяся часть двигателя) не имеют обмотки и коллектора, а представляют собой просто болванки из электротехнического железа, в котором прорези для обмотки залиты алюминием — в таком исполнении нечему ломаться. Вращаются они за счёт переменного магнитного поля создаваемого статором (неподвижной частью эл. двигателя). Для обеспечения правильной работы эл. двигателей такого типа (а их подавляющее большинство) повсеместно преобладает 3-х фазное питание. Фазы, как три сестры-близняшки ничем не отличаются. Между каждой из них и нулём — напряжение 220 Вольт (В), частота каждой 50 Герц (Гц). Отличаются они только сдвигом во времени и "именами" — А,В,С.

Графическое изображение переменного тока одной фазы изображается в виде волнообразной линии, которая виляет змеёй через прямую — разделяющую эти зигзаги пополам на равные части. Верхние волны отображают движение переменного тока в одну, нижние — в другую стороны. Высота вершин (верхних и нижних) соответствует напряжению (220 В), потом график спадает до нуля — прямой линии (протяжённость которой отображает время) и снова достигает вершины (220 В) с нижней стороны. Расстояние между волнами вдоль прямой линии выражает частоту (50 Гц). Три фазы на графике представляют собой три волнообразных линии наложенных друг на друга, но с отставанием, то есть, когда волна одной достигает пика, другая уже идёт на спад, и так поочерёдно — как упавший на пол гимнастический обруч или крышка кастрюли. Этот эффект необходим для создания вращающегося магнитного поля в трёх-фазных асинхронных двигателях, которое и раскручивает их подвижную часть — ротор. Это аналогично велосипедным педалям, на которые ноги подобно фазам давят попеременно, только здесь как бы три педали расположенных относительно друг друга под углом 120 градусов (как эмблема "Мерседеса" или трёх-лопастной пропеллер самолёта).

Три обмотки эл. двигателя (для каждой фазы своя) на схемах изображаются так же, наподобие пропеллера с тремя лопастями, одними концами соединённые в общей точке, другими с фазами. Обмотки трёх-фазных трансформаторов на подстанциях (которые понижают высокое напряжение до бытового) соединёны так же, а НОЛЬ идёт из общей точки соединения обмоток (нейтраль трансформатора). Генераторы вырабатывающие эл. энергию имеют аналогичную схему. В них механическое вращение ротора (посредством гидро или паровой турбины) преобразуется в электроэнергию на электростанциях (а в небольших передвижных генераторах — посредством двигателя внутреннего сгорания). Ротор своим магнитным полем наводит электрический ток в трёх обмотках статора с отставанием в 120 градусов по окружности (как эмблема "Мерседеса"). Получается трёх-фазный переменный ток с разновременной пульсацией, создающей вращающееся магнитное поле. Электродвигатели же наоборот — трёх-фазный ток через магнитное поле превращают в механическое вращение. Провода обмоток не обладают сопротивлением, но ток в обмотках ограничивает магнитное поле создаваемое их витками вокруг железа, наподобие силе тяжести, действующей на едущего в гору велосипедиста и не позволяющей ему разгоняться. Сопротивление магнитного поля ограничивающего ток называется ИНДУКТИВНЫМ.

За счёт отставания фаз друг от друга и достижения ими пикового напряжения в разные мгновения, между ними получается разность потенциалов. Это называется линейным напряжением, и в бытовых сетях составляет 380 Вольт (В). Линейное (межфазное) напряжение всегда больше фазного (между фазой и нулём) в 1,73 раза. Этот коэффициент (1,73) широко применяется в расчётных формулах трёх-фазных систем. Например, ток каждой фазы эл. двигателя = мощность в Ваттах (Вт) разделить на линейное напряжение (380 В) = общий ток во всех трёх обмотках, который ещё делим на коэффициент (1,73), получаем ток на каждой фазе.

Трёх-фазное питание создающее вращательный эффект для эл. двигателей, по причине всеобщего стандарта обеспечивает электроснабжение и на бытовых объектах (жилых, офисных, торговых, учебных зданиях) — там, где эл. двигатели не используется. Как правило, 4-х проводные кабели (3 фазы и ноль) приходят на общие распределительные щитки, а оттуда расходятся парами (1 фаза и ноль) по квартирам, офисам, и др. помещениям. Из-за неравенства токовых нагрузок в разных помещениях часто перегружается общий ноль, который приходит на эл. щиток. Если он перегреется и отгорит, то получается, что, к примеру, соседние квартиры включены последовательно (так как они соединены нулями на общей контактной планке в эл. щитке) между двух фаз (380 Вольт). И если у одного соседа работают мощные эл. приборы (такие, как чайник, обогреватель, стиральная машина, водонагреватель), а у другого мало-мощные (телевизор, компьютер, аудио-техника), то более мощные потребители первого, из-за малого сопротивления, станут хорошим проводником, и в розетках другого соседа вместо нуля появится вторая фаза, и напряжение будет свыше 300 Вольт, которое сразу сожжёт его аппаратуру, в том числе и холодильник. Поэтому желательно регулярно проверять надёжность контакта приходящего из питающего кабеля нуля с общим распределительным эл.щитом. И если он греется, то отключить автоматы всех квартир, зачистить нагар и капитально затянуть контакт общего нуля. При относительно равных нагрузках на разных фазах — бОльшую долю обратных токов (через общую точку соединения нулей потребителей) взаимо-поглотят соседние фазы. В трёх-фазных эл. двигателях токи фаз равны и полностью уходят через соседние фазы, поэтому ноль им вообще не нужен.

Одно-фазные эл. двигатели работают от одной фазы и нуля (например, в бытовых вентиляторах, стиральных машинах, холодильниках, компьютерах). В них, чтобы создать два полюса — обмотка разделена пополам и расположена на двух противоположных катушках с разных сторон ротора. А для создания вращательного момента необходима вторая (пусковая) обмотка, намотанная так же на двух противоположных катушках и своим магнитным полем пересекает поле первой (рабочей) обмотки под 90 градусов. Пусковая обмотка имеет в цепи конденсатор (ёмкость), который сдвигает её импульсы и как бы искусственно эмитирует вторую фазу, благодаря которой и создаётся вращательный момент. Из-за необходимости делить обмотки пополам — скорость вращения асинхронных однофазных эл. двигателей не может быть больше 1500 об/мин. В трёх-фазных эл. двигателях катушки могут быть едиными, располагаясь в статоре через 120 градусов по окружности, тогда максимальная скорость вращения будет 3000 об/мин. А если они разделены пополам каждая, то получится 6 катушек (по две на фазу), тогда скорость будет в 2 раза меньше — 1500 об.мин., а сила вращения в 2 раза больше. Может быть и 9 катушек, и 12, соответственно 1000 и 750 об/мин., с увеличением силы во столько же раз, во сколько меньше число оборотов в минуту. Обмотки однофазных двигателей тоже могут быть раздроблены больше чем пополам с аналогичным уменьшением скорости и увеличением силы. То есть, низко-оборотный двигатель труднее удержать чем-либо за вал ротора, чем высокооборотный.

Есть ещё один распространённый тип эл. двигателей — коллекторные. Их роторы несут на себе обмотку и контактный коллектор, на который через медно-графитовые "щётки" приходит напряжение. Она (обмотка ротора) создаёт своё магнитное поле. В отличии от пассивно раскручиваемой железно-алюминиевой "болванки" асинхронного эл. двигателя, магнитное поле обмотки ротора коллекторного движка активно отталкивается от поля его статора. У таких эл. двигателей другой принцип работы — подобно двум одноимённым полюсам магнита, ротор (вращающаяся часть эл. двигателя) стремится оттолкнуться от статора (неподвижной части). А так как вал ротора прочно зафиксирован двумя подшипниками на концах, то от "безысходности" ротор активно выкручивается. Эффект аналогичен белке в колесе, которая чем быстрее бежит — тем стремительнее раскручивается барабан. Поэтому такие эл. двигатели имеют гораздо бОльшие и регулируемые в широком диапазоне обороты, чем асинхронные. К тому же они, при той же мощности, значительно компактнее и легче, не зависят от частоты (Гц) и работают как на переменном, так и на постоянном токе. Применяются, как правило, в мобильных агрегатах: электровозы поездов, трамваи, троллейбусы, электромобили; а так же во всех переносных эл. приборах: эл.дрели, болгарки, пылесосы, фены. Но значительно уступают в простоте и надёжности асинхронникам, которые применяются в основном на стационарном электрооборудовании.

Электрический ток может преобразовываться в СВЕТ (посредством прохождения через нить накала, люминесцирующий газ, кристаллы светодиодов), ТЕПЛО (преодолевая сопротивление проволоки из нихрома с неизбежным её нагревом, которая используется во всех нагревательных элементах), МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ (через создаваемое эл. катушками магнитного поля в эл. двигателях и эл. магнитах, которые соответственно вращают и втягивают). Однако, эл. ток таит в себе смертельную опасность для живого организма, через который он может пройти.

Некоторые люди говорят: "Меня било 220 Вольт". Это не верно, потому что ущерб наносит не напряжение, а ток, который проходит через тело. Его величина, при одном и том же напряжении, может в десятки раз отличаться по ряду причин. Огромное значение имеет и путь его прохождения. Чтобы через организм пошёл ток, необходимо быть частью электрической цепи, то есть, стать его проводником, а для этого Вы должны прикоснуться к двум разным потенциалам одновременно (фазе и нулю — 220 В, или двум разноимённым фазам — 380 В). Самые распространённые опасные протекания тока — от одной руки к другой, или от левой руки к ногам, потому что так путь проляжет через сердце, которое может остановиться от силы тока всего в одну десятую Ампера (100 миллиампер). А если, к примеру, коснуться разными пальцами одной руки оголённых контактов розетки — ток пройдёт от пальца к пальцу, а тело не затронет (если конечно ноги стоят на НЕ проводящем полу).

Роль нулевого потенциала (НУЛЯ) может сыграть земля — в буквальном смысле сама поверхность почвы (особенно сырая), либо металлическая или железобетонная конструкция, которая врыта в землю или имеет с ней значительную площадь соприкосновения. Совсем необязательно хвататься обеими руками за разные провода, можно просто стоя босиком или в плохой обуви на сырой земле, бетонном или металлическом полу коснуться любой частью тела оголённого провода. И мгновенно от этой части, через тело к ногам потечёт коварный ток. Даже если пойти по нужде в кусты и струёй ненароком попасть по оголённой фазе, то путь тока проляжет через (солёную и гораздо более проводимую) струю мочи, половую систему и ноги. Если же на ногах сухая обувь на толстой подошве или сам пол деревянный, то НУЛЯ не будет и ток не потечёт даже если Вы зубами вцепитесь в один оголённый ФАЗНЫЙ провод под напряжением (яркое тому подтверждение — птицы сидящие на неизолированных проводах).

Величина тока в значительной степени зависит и от площади прикосновения. Например, можно слегка дотронуться сухими кончиками пальцев до двух фаз (380 В) — ударит, но не смертельно. А можно схватиться за два медных толстых прутка, к которым подведено всего 50 Вольт, обеими мокрыми кистями рук — площадь соприкосновения + сырость обеспечат проводимость в десятки раз большую, нежели в первом случае, и величина тока будет смертельной. (Мне доводилось видеть электрика, у которого пальцы были настолько заскорузлыми, сухими и мозолистыми, что он, как в перчатках, спокойно работал под напряжением.) К тому же, когда человек касается напряжения кончиками пальцев или тыльной стороной ладони, то он рефлекторно отдёргивается. Если же схватиться как за поручни, то напряжение вызывает сокращение мышц кистей и человек вцепляется с силой, на которую никогда не был способен, и его уже никто не сможет оторвать пока не отключат напряжение. А время воздействия (миллисекунды или секунды) электрического тока — тоже весьма значимый фактор.

Например, на электрическом стуле человеку на предварительно выбритую голову одевают (через смоченную специальным, хорошо проводящим раствором тряпичную прокладку) плотно затягивающийся широкий металлический обруч, к которому присоединён один провод — фазный. Второй потенциал подключают к ногам, на которых (на голени около лодыжек) плотно затянуты широкие металлические хомуты (опять же с мокрыми спец-прокладками). За предплечья приговорённый надёжно фиксируется к подлокотникам стула. При включении рубильника, между потенциалами головы и ног появляется напряжение 2000 Вольт! Подразумевается, что при получаемой силе тока и его пути прохождения, потеря сознания происходит мгновенно, а остальное время "дожигания" тела гарантирует гибель всех жизненно-важных органов. Только пожалуй, сама процедура приготовления подвергает несчастного такому запредельному стрессу, что сам электро-удар становится избавлением. Но не пугайтесь — в нашем государстве такой казни пока нет.

И так, опасность удара эл. током зависит от: напряжения, пути протекания тока, сухих или влажных (пот из-за солей имеет хорошую проводимость) частей тела, площади контакта с оголёнными проводниками, изолированности ног от земли (качество и сухость обуви, сырость почвы, материал полов), времени воздействия тока.

Но, чтобы попасть под напряжение не обязательно хвататься за оголённый провод. Может случиться так, что изоляция обмотки электро-агрегата нарушится, и тогда ФАЗА окажется на его корпусе (если он металлический). Например, был в соседнем доме такой случай — мужчина жарким летним днём взобрался на старый железный холодильник, сел на него голыми, потными (и соответственно солёными) ляжками, и принялся сверлить потолок электродрелью, держась второй рукой за её металлическую часть возле патрона. То-ли он попал в арматуру (а она обычно приварена к общему заземляющему контуру здания, что равноценно НУЛЮ) бетонной плиты потолка, то-ли в собственную эл.проводку?? Только свалился замертво, сражённый наповал чудовищным ударом электрического тока. Комиссия обнаружила на корпусе холодильника ФАЗУ (220 вольт), которая появилась на нём из-за нарушения изоляции обмотки статора компрессора. Пока не коснёшься одновременно корпуса (с притаившейся фазой) и нуля или "земли" (например, железной водопроводной трубы) — ничего не произойдёт (на полу ДСП и линолеум). Но, как только "найдётся" второй потенциал (НОЛЬ или другая ФАЗА) — удар неизбежен.

Для предотвращения подобных несчастных случаев делается ЗАЗЕМЛЕНИЕ. То есть, через специальный защитный заземляющий провод (жёлто-зелёного цвета) на металлические корпуса всех эл. приборов присоединяется НУЛЕВОЙ потенциал. Если изоляция нарушится и ФАЗА коснётся корпуса, то мгновенно произойдёт короткое замыкание (КЗ) с нулём, в результате этого автомат разорвёт цепь и фаза не останется незамеченной. Поэтому электротехника перешла на трёх-проводную (фаза — красный или белый, ноль — голубой, земля — жёлто-зелёный провода) проводку в однофазном эл.питании, и пяти-проводную в трёхфазном (фазы — красный, белый, коричневый). В так называемых евро-розетках кроме двух гнёзд добавились ещё и заземляющие контакты (усы) — к ним присоединяется жёлто-зелёный провод, а на евро-вилках кроме двух штырей есть контакты, с которых тоже жёлто-зелёный (третий) провод идёт на корпус электроприбора.

Чтобы не устраивать КЗ, последнее время широко применяются УЗО (устройство защитного отключения). УЗО сравнивает фазный и нулевой токи (сколько вошло и сколько вышло), и когда появляется утечка, то есть, либо нарушилась изоляция, и обмотка двигателя, трансформатора или спираль нагревателя "прошивает" на корпус, либо вообще человек прикоснулся к токо-ведущим частям, то "нулевой" ток будет меньше фазного и УЗО мгновенно отключится. Такой ток называется ДИФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ, то есть сторонним ("левым") и не должен превышать смертельную величину — 100 миллиампер (1 десятую Ампера), а для бытового однофазного питания этот предел обычно 30 mA. Такие устройства обычно ставятся на вводе (последовательно с автоматами) проводки питающей сырые опасные помещения (например ванной комнаты) и защищают от удара эл.током от рук — на "землю" (пол, ванну, трубы, воду). От прикосновения двумя руками за фазу и рабочий ноль (при НЕ проводящем полу) УЗО не сработает.

Заземляющий (жёлто-зелёный провод) приходит от одной точки с нулём (с общей точки соединения трёх обмоток трёх-фазного трансформатора, которая ещё присоединёна к большому металлическому стержню, глубоко врытому в землю — ЗАЗЕМЛЕНИЮ на питающей микрорайон эл.подстанции). Практически, это тот же ноль, но "освобождённый" от работы, просто "охранник". Так что, за отсутствием заземляющего провода в проводке, можно использовать нулевой провод. А именно — в евро-розетке поставить перемычку с нулевого провода на заземляющие "усы", тогда при нарушении изоляции и утечке на корпус сработает автомат и отключит потенциально-опасный прибор.

А можно изготовить заземление самостоятельно — вбить глубоко в землю пару-тройку ломов, пролить очень солёным раствором и присоединить заземляющий провод. Если присоединить его к общему нулю на вводе (до УЗО), то он будет надёжно предохранять от появления в розетках второй ФАЗЫ (описывалось выше) и сгорания бытовой аппаратуры. Если же нет возможности дотянуть его до общего нуля, например в частном доме, то на свой ноль следует поставить автомат, как на фазе, иначе при отгорании общего нуля в распред-щите, ток соседей пойдёт через Ваш ноль на самодельное заземление. А с автоматом поддержка соседям будет оказана только до его предела и Ваш ноль не пострадает.

Ну вот, кажется все основные распространённые нюансы электричества не касающегося профессиональной деятельности я описал. Более глубокие подробности потребуют ещё более длинного текста. Насколько понятно и доходчиво получилось — судить тем, кто вообще далёк и некомпетентен в этой теме (был :-).

Низкий поклон и светлая память великим физикам Европы, увековечившим свои имена в единицах измерения параметров электрического тока : Александро Джузеппе Антонио Анастасио ВОЛЬТА — Италия (1745-1827); Андре Мари АМПЕР — Франция (1775-1836); Георг Симон ОМ — Германия (1787-1854); Джеймс УАТТ — Шотландия (1736-1819); Генрих Рудольф ГЕРЦ — Германия (1857- 1894); Майкл ФАРАДЕЙ — Англия (1791-1867).

СТИХОТВОРЕНИЕ ПРО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК:

Электрический ток, электрический ток,
Погоди, не теки, потолкуем чуток.
Ты постой, не спеши, лошадей не гони.
Мы с тобой в этот вечер в квартире одни.

Электрический ток, электрический ток,
Напряженьем похожий на Ближний Восток,
С той поры, как увидел я Братскую ГЭС,
Зародился к тебе у меня интерес.

Электрический ток, электрический ток,
Говорят, ты порою бываешь жесток.
Может жизни лишить твой коварный укус,
Ну и пусть, все равно я тебя не боюсь!

Электрический ток, электрический ток,
Утверждают, что ты — электронов поток,
И болтает к тому же досужий народ,
Что тобой управляют катод и анод.

Я не знаю, что значит «анод» и «катод»,
У меня и без этого много забот,
Но пока ты течешь, электрический ток,
Не иссякнет в кастрюле моей кипяток.

Что такое электричество: 5 интересных фактов

Однажды мы написали про фазу и ноль в электричестве. Статью бурно обсуждали, и среди вопросов читателей была просьба написать такую же понятную статью про то, что такое электричество вообще и откуда оно берется.

Почему бы и нет?!

По данным на 2018 год около одного миллиарда человек не имеют доступа к электричеству. Другими словами, каждый восьмой человек вместо электрического освещения и электрочайника дома включает керосиновую лампу или примус.

Хотите получать полезную и интересную рассылку каждый день? Подпишитесь на наш телеграм-канал.

Что такое электричество

Электричество – явление природы, в основе которого лежит существование и взаимодействие электрических зарядов.

Сам термин был введен британским ученым Уильямом Гильбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Дело было в 1600 году, когда британские ученые еще не стали мемом.

Конечно, про существование электричества люди знали гораздо раньше и объясняли его по мере возможностей. Вспомним Зевса Громовержца – бога электрических молний у древних греков. У славян был аналогичный электрический бог – Перун, а у скандинавов – Тор.

Считается, что именно благодаря молниям жизнь смогла зародиться в древнем мировом океане. Электрические разряды стимулировали синтез аминокислот – основ органической жизни.

Электричество, или электромагнитное взаимодействие – одно из четырех фундаментальных взаимодействий. Напомним, что кроме него есть еще:

• сильное взаимодействие;
• слабое взаимодействие;
• гравитация.

Вопрос, откуда берется электричество в природе, не совсем корректный. Уровень знаний нашей цивилизации позволяет сказать, что оно просто есть, как и остальные взаимодействия.

Электричество появилось вместе со Вселенной, когда в результате Большого Взрыва образовались положительные и отрицательные фундаментальные частицы.

Еще один правильный вариант ответа на этот вопрос: из розетки.

Если вам интересна тема электричества, представляем набольшую подборку наших материалов:

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.

5 интересных фактов об электричестве

Факт 1

Электричество присутствует в теле человека. Нервный импульс – не что иное, как скачок напряжения в клетках.

Факт 2

Ток, как известно, является движением заряженных частиц. Скорость электричества равна примерно 300 000 километров в секунду (скорость света). На самом деле, это скорость распространения электрического поля. Электроны в проводнике движутся гораздо медленнее. Их скорость составляет примерно 1 миллиметр в секунду.

Однажды в 1746 году ученый Жан-Антуан Нолле решил измерить скорость тока. Поставив 200 монахов в ряд, он соединил их проводами и дал разряд. В результате от удара током все монахи дернулись одновременно, из чего был сделан вывод, что скорость очень высокая.

Факт 3

Первый автомобиль, работающий на электричестве, был построен еще в 19 веке. До того, как появился двигатель внутреннего сгорания. А в 1899 году именно на электромобиле был установлен рекорд скорости на суше – 100 км/ч (или 62 мили/ч).

Факт 4

Изобретение электрического стула связывают с именем Томаса Эдисона. На самом деле, это не совсем так, хотя Эдисон и приложил руку к этому делу. В конце 19 века шла так называемая война токов – конкуренция между Эдисоном (постоянный ток) и Теслой (переменный ток). В ход шли почти любые средства, и Эдисон показывал опасность переменного тока, демонстративно убивая им животных.

После того, как какой-то несчастный почти мгновенно погиб, прикоснувшись к проводам генератора на улице, люди задумались о новом гуманном способе казни. К слову, первая казнь на электрическом стуле не прошла гладко и быстро: его пришлось включать два раза.

Факт 5

Кроме убийства, электричество используется и для возвращения к жизни. При дефибрилляции (фибрилляция – судорожное сокращение мышц) через тело пропускают кратковременный разряд напряжением от 4000 до 7000 Вольт. Такая процедура помогает запустить человеческое сердце в нормальном ритме.

Хотите больше узнать об электричестве, электротехнике и научиться быстро решать задачи? Обращайтесь в профессиональный сервис помощи студентам за консультациями и оперативным решением учебных вопросов.

Кто изобрёл электричество: история возникновения, век и год изобретения

Под этим термином понимают ток и процессы, вызванные его влиянием. Электричество — категория, определяющая систему явлений, обусловленных структурой физических тел, взаимодействием, движением заряженных частиц вещества.

Ток вызывает тепловое, химическое, световое, магнитное, механическое действие. Генераторами, например, атмосферного электричества являются пылевые бури, облака, пар, дым промышленных установок.

Наука, изучающая электричество

Электричество как природное явление представляет интерес для биологов, химиков, физиков. Детальному его изучению посвящен такой раздел физики, как электродинамика.

Природу разрядов, магнитные явления, их практическое применение, преобразование, передачу изучает электротехника. Продукты этой отрасли знаний включают в себя бытовое и промышленное оборудование, коммуникации и сферу обработки информации.

История возникновения

Много лет назад люди наблюдали за природными явлениями, имеющими электрическую природу. В 600 г. до н.э. в Греции экспериментально установили, что потертая шерстью окаменелая смола притягивает предметы.

В 30-е гг. ХХ веке археологи нашли горшки, внутри которых находились медные листы. Эти своеобразные батареи для освещения были обнаружены в Багдаде, что дает основания предположить, что разработка принадлежит древним персам.

В 1600 году слово electricus использовалось Уильямом Гилбертом для описания статической энергии, возникающей при механическом взаимодействии веществ. Томас Браун в ряде исследовательских трудов использовал категорию «электричество» («янтарность»). С этого времени началась эра экспериментов с целью разгадки природы явления. Дата каждого из них вписана в историю.

В 17 в. был изобретен генератор, классифицированы изоляторы и проводники, разграничены частицы с зарядами «+» / «-». С XVIII в. и до сих пор человечество продуцирует, генерирует и потребляет электричество.

Период ранних открытий подготовил базис для развития науки, проведения исследований, разработки оборудования для транспортирования электричества.

Основатель электротехники

Также в конце XVII века при английском дворе трудился придворный медик и физик Уильям Гилберт. Его также вдохновили труды древнегреческого мыслителя, и он перешел к собственным исследованиям по данной тематике.

Этот изобретатель разработал прибор для изучения электричества – версор. С его помощью он смог расширить знания об электрических явлениях. Так он установил, что подобными янтарю свойствами обладают сланцы, опал, алмаз, карборунд, аметист и стекло. Кроме этого, Гилберт установил взаимосвязь между пламенем и электричеством, а так же сделал ряд других открытий, которые позволили современным ученым называть его основоположником электротехники.

Передача электричества на расстояние

В XVIII веке исследования по теме были успешно продолжены. Два ученых из Англии Гренвилл Уилер и Стивен Грей установили, что электричество проходит через одни материалы (их назвали проводниками) и не проходит через другие. Они же поставили первый опыт по передаче электрической силы на расстояние. Ток прошел небольшую дистанцию. Так 1729 год можно назвать первой датой, при ответе на вопрос, в каком году изобрели промышленное электричество. Далее открытия последовали одно за другим:

• профессор математики из Голландии Машенбрук изобрел «лейденскую банку», которая по своей сути явилась первым конденсатором;
• французский естествоиспытатель Шарль Дюфе классифицировал электрические силы на стеклянные и смоляные;
• Михаил Ломоносов доказал, что молнии получаются из-за разности потенциалов, и изобрел первый громоотвод;
• профессор из Франции Шарль Кулон открыл закон взаимосвязи между неподвижными зарядами точечного формата.

Все установленные факты были собраны под одной обложкой Бенджамином Франклином, он же предложил несколько перспективных теорий, например, то, что заряды могут быть, как положительными, так и отрицательными.

Этапы создания теории

Электричество — как вырабатывается и из чего состоит

Каждая ступень строительства электрической теории возводилась на основе личных открытий выдающихся учёных физиков. Их фамилии составляют список имён, кому принадлежит изобретение электричества. Теоретическая научная база электричества развивалась постепенно, по мере накопления экспериментального опыта.

Появление термина

Выше уже упоминалось то, что понятие «электричество» впервые было введено в употребление Уильямом Гилбертом в 1600 г. С этого момента отмечают дату, когда появилось электричество.

Первая электростатическая машина

Демонстрируемый прибор в 1663 г. бургомистром Магдебурга Отто фон Генрике считают первой электростатической машиной. Она представляла собой смоляной шар, насаженный на металлический стержень.

Лейденская банка

В 1745 году случилось знаменательное событие – голландский исследователь Питер ван Мушенброк создал электростатический конденсатор. Прибор был назван в честь города, где было сделано изобретение, – Лейденской банкой.

Два вида зарядов

Бенджамин Франклин ввёл понятие о полярности зарядов. С тех пор аксиомой является то, что любой электрический потенциал имеет отрицательный и положительный полюсы.

Бенджамин Франклин

В 1747 году американский научный исследователь Бенджамин Франклин создаёт собственную теорию об электричестве. Он представил природу электричества как нематериальную жидкость в виде неких флюидов.

Провода и роторы

Справедливости ради, проблема была не только в лампах, но и в электроснабжении. Производства устанавливали себе отдельные маломощные генераторы, города и деревни побогаче следовали тем же путём. Государственной программы финансирования электрификации не было, но иногда городские власти выделяли средств из резервных фондов. В 1912-м году сотрудники «Общества электрического освещения» взялись за создание крупных электростанций, которые могли бы снабжать энергией целые районы. Первой такой станцией стала «Электропередача» в Московской области, вокруг которой сейчас раскинулся городок Электрогорск. Эта станция до сих пор является местом проведения многочисленных экспериментов в области тепловой энергетики. На момент постройки она была самой крупной ТЭС, работавшей не на привозном топливе, а буквально «на подножном корме».

«Электропередача» обрела жизнь благодаря четырём людям: Кржижановскому, Радченко, Классону и Винтеру. Имя Классона станция носит сегодня; именно он подобрал место вблизи подходящего водоёма-охладителя и на богатейших залежах торфа, который изначально служил топливом для производства пара. Иван Радченко заведовал разработкой торфа. Александр Винтер, получивший образование в железнодорожном училище, через год после поступления в Киевский политехнический институт был выслан в Баку за студенческие беспорядки. В столице Азербайджана он по шестнадцать часов в сутки, по его же воспоминаниям, проводил в котельных. Работа в местном обществе «Электрическая сила» дала ему знания о функционировании паровых турбин, подобных тем, что позднее были установлены на «Электропередачу».

Однако построить станцию – это одно, а вот устроить подачу энергии от её генераторов к лампочкам и станкам – другое. 75 км от Москвы следовало каким-то образом преодолеть. На седьмом Всероссийском электротехническом съезде в 1913-м году инженеры договорились, что самый перспективный способ передачи энергии на большие расстояния – воздушные высоковольтные линии. Кабельный завод в Москве работал уже почти полвека, меди хватало, дерева для постройки опор – тоже. Имелись трансформаторы, как и теория, по которой можно было рассчитать оптимальный вольтаж для передачи и для потребления. Не было только одного – прецедента постройки семидесятикилометровой линии на землях Подмосковья. На землях, заболоченных и лесистых, и потому трудных для строительства, или же находящихся во владении частных лиц.

И как раз тут у энтузиастов-электротехников возникли проблемы. Дело в том, что не существовало практики взаимодействия поддерживаемого государством проекта с частными землевладельцами – дворянами и помещиками, далёкими от тяги к прогрессу. Законодательства, которое регулировало бы эти вопросы, не было тоже. А царскими указами в начале 20-го века поставить на место десяток зажиточных подданных уже не представлялось возможным. Поэтому руководители проекта, в основном Кржижановский и Винтер, лично договаривались с каждым из неуступчивых обладателей земель на пути от Электрогорска к Москве. Платили, заводили знакомства, увещевали и выпивали вместе с теми, кто упрямился.

Тем не менее, к 1914-му году была завершена постройка и «Электропередачи», и ЛЭП. Москва получила своё электричество. Новая станция заменила ряд мелких: — Георгиевскую, построенную в 1902-м году; эта ТЭС работала на привозном топливе и давала свет зданиям в радиусе полутора вёрст; — Городскую, за счёт которой освещался Каменный мост и площадь у храма Христа Спасителя; — Дворцовую (построенную немецким промышленником Сименсом для освещения Кремля); — привокзальные Ярославскую и Брестскую; — и др. Поскольку в 1914-м Российская империя вступила в Первую мировую войну, «Электропередача» так и осталась единственной станцией, способной снабжать энергией целую область.

Георгиевская электростанция

В это же время шло строительство меньших электростанций. Практика их создания была сформирована компанией Сименса в 80-х годах. В 1897-1898-м «Общество электрического освещения» в Петербурге строит электростанцию на Обводном канале, Кельнское общество «Гелиос» – ещё одну, на Новгородской улице, а Бельгийское анонимное общество электрического освещения – третью, на набережной Фонтанки. На десять лет этих станций хватает.

Затем, после того, как правительственную комиссию не прошёл план постройки метро в Петербурге, принимается решение проложить линии электрического трамвая. В Киеве такой трамвай появился ещё в 1892-м году – для него построили полтора километра линий и 30-киловаттную электростанцию. Теперь же Генрих Графтио, впоследствии ведущий специалист по электрификации железных дорог, запускает в 1907-м году трамвай в Петербурге, и заодно строит «Трамвайную» электростанцию. В 1914-м началось строительство пятой станции, «Уткиной заводи». Но, как и в случае с предыдущими станциями, основную часть финансирования предоставили зарубежные инвесторы, в основном немецкие.

С началом войны их попросили покинуть страну, да они и сами не горели желанием отдавать деньги вражескому государству. А «Русское акционерное общество электрических районных станций», которое формально руководило стройкой, само проект «не вытянуло».

киевский трамвай

За пределами столиц сооружение электростанций в основном находится в руках филиалов «Общества Электрического освещения» и электротехнических обществ – иностранные предприниматели редко заглядывали в провинции. В результате на просторах Российской империи нечасто появлялись мощные станции, зато часто – технически передовые. Например, первая электростанция, вырабатывавшая переменный трёхфазный ток, была сооружена в Новороссийске. Краснодарский край вообще отличался хорошими показателями электрификации, в основном за счёт удачного для прокладки ЛЭП равнинного рельефа северного берега Кубани.

Также в отдалённых регионах хорошо обстояло дело с гидроэлектростанциями. Первая из них появилась на реке Березовка у Зыряновского рудника на Алтае. Её мощность составляла 150 кВт и спроектирована она была горным инженером Кокшаровым. Большей известностью пользовалась построенная в Петербурге, на реке Большая Охта, 300-киловаттная станция. Над её строительством в числе прочих работал Роберт Классон. Следующая ГЭС, получившая имя «Белый уголь», расположилась опять в глубинке, хотя и у курортных Ессентуков и Кисловодска – на реке Подкумок. Эта станция питала 400 уличных дуговых фонарей, электродвигатели для насосов минеральных вод и несколько трамвайных линий.

Вообще проекты использование энергии рек появились даже раньше, чем Сименс организовал своё «Общество электрического освещения». Предложения по строительству ГЭС в 1880-м выдвигал российский инженер Чиколев, а в 1892-м с аналогичными идеями выступал Николай Бенардос. По его замыслу электроэнергией, полученной от турбин на Неве, должен был снабжаться Петербург. Графтио предполагал использовать течение реки Волхов (при советской власти его проект будет претворён в жизнь). Но поскольку наиболее организованно работал Кржижановский с коллегами, ГЭС по используемости отставали от ТЭС.

И всё же в 1913-м году на протяжённых речках насчитывались тысячи небольших электростанций. Ещё больше их стояло на горных речушках, вблизи рудничных предприятий. К 1917-му году суммарная мощность гидроэлектростанций России достигала 19 МВт. Самая крупная из них вырабатывала 1350 кВт электричества и находилась в Туркестане – эта Гиндукушская ГЭС работает до сих пор. Для сравнения, самая производительная электростанция империи – «Электропередача» – производила 9000 кВт энергии.

машинный зал Гиндукушской ГЭС

Причины, почему в центральных регионах акцент делался на тепловых станциях, а на периферии – на ГЭС, довольно очевидны. Во-первых, изначально считалось, что равнинные, хоть и полноводные реки использовать для производства электроэнергии невыгодно. Во-вторых, в Москву и Петербург регулярно поставляли большое количество топлива, добытого в других государствах (важным поставщиком была Англия). А отдалённые населённые пункты рассчитывать на стабильное снабжение не могли. В то же время, обильные торфяные залежи в Подмосковье способствовали появлению небольших электростанций, находящихся в частном владении.

Начало Первой мировой несколько изменило расстановку сил в российском энергетическом сегменте. Со времён Сименса подрядчиками и спонсорами развёртывания сети электростанций выступали в основном подданные Германии. В 1909-м году более 85% электротехнических предприятий и компаний принадлежали не Российской империи; из-за обострения отношений к 1914-му году эта доля упала до 70%, но этого было недостаточно – резкое сворачивание зарубежных инвестиций всё равно сильно ударило по энергетическому строительству.

Другой проблемой было отсутствие машиностроения достаточного уровня. Например, при строительстве Гиндукушской ГЭС использовались турбины австро-вергерского производства. Даже для крупнейших столичных электростанций турбины поставлялись из Европы и США. С началом войны поставки сократились. Правда, в результате этого кроме негативного влияния был и положительный момент – постепенно стало развиваться отечественное приборостроение. Сразу после начала войны открылся Московский Электроламповый завод; рассматривались проекты по сооружению турбинных заводов, но до революции их не успели осуществить.

ГОЭЛРО

Пришедшие к власти после Октябрьской революции большевики в 1920 году приняли план по электрификации страны. Его разработка началась еще во время гражданской войны. Главой соответствующей комиссии (ГОЭЛРО – Государственной комиссии по электрификации России) был назначен Глеб Кржижановский, который уже имел опыт работы с разными энергетическими проектами. Например, он помогал Роберту Классону со станцией на торфе в Московской губернии. Всего в комиссию, создававшую план, вошло порядка двухсот инженеров и ученых.

Хотя проект предназначался для развития энергетики, он также затрагивал всю советскую экономику. В качестве сопутствующего электрификации предприятия появился Сталинградский тракторный завод. Новый промышленный район возник в Кузнецком угольном бассейне, где началось освоение огромных залежей ресурсов.

Согласно плану ГОЭЛРО должно было быть построено 30 электростанций районного значения (10 ГЭС и 20 ТЭС). Многие из этих предприятий работают и сегодня. В их числе Нижегородская, Каширская, Челябинская и Шатурская тепловые электростанции, а также Волховская, Нижегородская и Днепровская ГЭС. Осуществление плана привело к появлению нового экономического районирования страны. История света и электричества не может быть не связана с развитием транспортной системы. Благодаря ГОЭЛРО появились новые железные дороги, магистрали и Волго-Донской канал. Именно посредством этого плана началась индустриализация страны, а история электричества в России перевернула очередную важную страницу. Поставленные ГОЭЛРО цели были выполнены в 1931 году.

Электрическая дуга Петрова

История возникновения электричества сложилась бы иначе, если бы не физик-экспериментатор и старательный самоучка Василий Петров (1761-1834). Этот ученый, движимый собственным мало кому понятным любопытством, провел множество опытов. Ключевым его достижением стало открытие электрической дуги в 1802 году.

Петров доказал, что ее можно использовать в практических целях – в том числе для сварки металлов, плавки и освещения. Тогда же экспериментатором была создана большая гальваническая батарея. История развития электричества многим обязана Василию Петрову.

Свеча Яблочкова

Другой русский изобретатель, внесший свой вклад в прогресс в энергетике, – Павел Яблочков (1847-1894). В 1875 году он создал угольную дуговую лампу. За ней закрепилось название «свеча Яблочкова». Впервые изобретение было продемонстрировано широкой публике на Парижской всемирной выставке. Так писалась история возникновения света. Электричество, в том смысле в каком привыкли понимать его все мы, становилось все ближе.

Лампа Яблочкова, несмотря на революционность идеи, имела несколько фатальных недостатков. После отключения от источника она гасла, а запустить свечу заново уже не представлялось возможным. Тем не менее история происхождения электричества по праву оставила в своих анналах имя Павла Яблочкова.

Лампа накаливания Лодыгина

Первые отечественные опыты, связанные с городским электрическим освещением, были проведены Александром Лодыгиным в Санкт-Петербурге в 1873 году. Именно он изобрел лампу накаливания. Однако попытка ввести новинку в массовую эксплуатацию оказалась неудачной – ей не удалось отнять нишу у повсеместно распространенных газовых фонарей. Патент на вольфрамовую нить был продан зарубежной компании General Electric.

Российские энтузиасты, тем не менее, не растеряли задора. Незадолго до Первой мировой войны «Общество электрического освещения» получило право на производство ламп накаливания. Грандиозные планы не осуществились из-за кровопролития, падения экономики и всеобщей разрухи. К 1917 году лампы накаливания были только в богатых поместьях, успешных магазинах и т. д. В целом даже в двух столицах такое освещение охватывало лишь треть зданий. К электричеству масса людей относилась как к невероятной роскоши, и каждая новая освещенная витрина привлекала внимание тысяч горожан.

Станции и трамваи

Появлялись в царскую эпоху и станции меньших масштабов. История электричества в России многим обязана немецкому промышленнику Вернеру фон Сименсу. В 1883 году он работал над праздничной иллюминацией московского Кремля. После первого удачного опыта его компания (которая позже станет известна как концерн мирового масштаба) создала систему освещения Зимнего дворца и Невского проспекта в Петербурге. В 1898 году небольшая электростанция появилась в столице на Обводном канале. Бельгийцы инвестировали средства в аналогичное предприятие на набережной Фонтанки, а немцы – в еще одно на Новгородской улице.

История электричества сводилась не только к появлению станций. Первый трамвай в Российской империи появился в 1892 году в Киеве. В Петербурге этот новейший вид общественного транспорта в 1907-м запустил инженер-энергетик Генрих Графтио. Инвесторами проекта были немцы. Когда началась война с Германией, они вывели из России капитал, а проект на время заморозился.

Первые ГЭС

Отечественная история электричества в царский период ознаменовалась и первыми небольшими гидроэлектростанциями. Самая ранняя появилась на Зыряновском руднике в Алтайских горах. Большая известность обрушилась на станцию в Петербурге на реке Большой Охте. Одним из ее строителей был все тот же Роберт Классон. Кисловодская гидроэлектростанция «Белый уголь» служила источником энергии для 400 уличных фонарей, трамвайных линий и насосов на минеральных водах.

К 1913 году на разных российских речках были уже тысячи ГЭС небольшого размера. По подсчетам специалистов их общая мощность составляла 19 мегаватт. Самой крупной ГЭС была Гиндукушская станция в Туркестане (она работает и сегодня). При этом накануне Первой мировой войны сложилась заметная тенденция: в центральных губерниях упор делался на строительство тепловых станций, а в далекой провинции – на силу воды. История создания электричества для российских городов началась с больших вложений иностранцев. Даже оборудование для станций почти все было зарубежным. Например, турбины закупали отовсюду – от Австро-Венгрии до США.

В период 1900-1914 гг. темп российской электрификации являлся одним из самых высоких во всем мире. В то же время существовал заметный перекос. Электричество поставлялось в основном для промышленности, а вот спрос на бытовые приборы оставался достаточно низким. Ключевая же проблема продолжала заключаться в отсутствии централизованного плана модернизации страны. Движение вперед осуществлялось частными компаниями, при этом в массе своей – иностранными. Немцы и бельгийцы в основном финансировали проекты в двух столицах и старались не рисковать своими средствами в далекой российской провинции.

Энергетика и война

Накануне Великой Отечественной войны общая мощность электроэнергетики СССР составляла около 11 миллионов киловатт. Вторжение Германии и разрушение значительной части инфраструктуры сильно снизили эти показатели. На фоне этой катастрофы в Государственном Комитете Обороны сделали строительство предприятий, вырабатывающих мощности, частью оборонзаказа.

С освобождением территорий, занятых немцами, начался процесс восстановления разрушенных или поврежденных электростанций. Самыми важными были признаны Свирская, Днепровская, Баксанская и Кегумская ГЭС, а также Шахтинская, Криворожская, Штеревская, Сталиногорская, Зуевская и Дубровская ТЭС. Обеспечение оставленных немцами городов электричеством на первых порах осуществлялось благодаря энергопоездам. Первая такая передвижная станция прибыла в Сталинград. К 1945 году отечественной энергетике удалось выйти на довоенные показатели выработки. Даже краткая история электричества показывает, что путь модернизации страны был тернистым и извилистым.

Дальнейшее развитие

После наступления мира в СССР продолжилось строительство крупнейших во всем мире ТЭС и ГЭС. Энергетическая программа осуществлялась согласно принципу дальнейшей централизации всей отрасли. К 1960 году выработка электричества увеличилась в 6 раз по сравнению с 1940 годом. К 1967-му закончился процесс создания единой энергетической системы, объединившей всю европейскую часть страны. В эту сеть вошло 600 электростанций. Их общая мощность составила 65 миллионов киловатт.

В дальнейшем упор в развитии инфраструктуры делался на азиатский и дальневосточный регионы. Отчасти это объясняется тем, что именно там сосредотачивалось около 4/5 всех гидроэнергетических ресурсов СССР. «Электрическим» символом 1960-х стала возведенная на Ангаре Братская ГЭС. Вслед за ней появилась аналогичная Красноярская станция на Енисее.

Гидроэнергетика развивалась и на Дальнем Востоке. В 1978 году в дома советских граждан стал поступать ток, который производила Зейская ГЭС. Высота ее плотины – 123 метра, а вырабатываемая мощность – 1330 мегаватт. Настоящим чудом инженерной мысли в Советском Союзе считали Саяно-Шушенскую ГЭС. Проект реализовывался в условиях сложного климата Сибири и удаленности от крупных городов с необходимой промышленностью. Многие детали (например, гидротурбины) попадали на стройку через Северный ледовитый океан, проделывая путь в 10 тысяч километров.

В начале 1980-х серьезно изменился топливно-энергетический баланс советской экономики. Все большую роль играли атомные электростанции. В 1980 году их доля в выработке энергии равнялась 5%, а 1985 году – уже 10%. Локомотивом отрасли была Обнинская АЭС. В этот период началось ускоренное серийное строительство атомных электростанций, однако экономический кризис и катастрофа в Чернобыле затормозили данный процесс.