Ток – это движение электронов в определенном направлении. Оно нужно, чтобы в наших устройствах тоже двигались электроны. Откуда берется ток в розетке?
Электростанция преобразует кинетическую энергию электронов в электрическую. То есть, гидроэлектростанция использует проточную воду для вращения турбины. Пропеллер турбины вращает клубок меди между двух магнитов. Магниты заставляют электроны в меди двигаться, из-за этого начинают двигаться электроны в проводах, которые присоединены к клубку меди - получается ток.
Генератор - как насос для воды, а провод - как шланг. Генератор-насос качает электроны-воду через провода-шланги.
Переменный ток - это тот ток, который у нас в розетке. Он называется переменным, потому что направление движения электронов постоянно меняется. У переменного тока из розеток бывает разная частота и электрическое напряжение. Что это значит? В российских розетках частота 50 герц и напряжение 220 вольт. Получается, что за секунду поток электронов 50 раз меняет направление движения электронов и заряд с положительного на отрицательный. Смену направлений можно заметить в флуоресцентных лампах, когда их включаешь. Пока электроны разгоняются, она несколько раз мигает - это и есть смена направлений движения. А 220 вольт - это максимально возможный «напор», с которым движутся электроны в этой сети.
В переменном токе постоянно меняется заряд. Это значит, что напряжение составляет то 100%, то 0%, то снова 100%. Если бы напряжение было 100% постоянно, то понадобился бы провод огромного диаметра, а с меняющимся зарядом провода могут быть тоньше. Это удобно. По небольшому проводу электростанция может отправить миллионы вольт, потом трансформатор для отдельного дома забирает, например 10000 вольт, и в каждую розетку выдает по 220.
Постоянный ток - это ток, который у вас в телефонном аккумуляторе или батарейках. Он называется постоянным, потому что направление движения электронов не меняется. Зарядные устройства трансформируют переменный ток из сети в постоянный, и уже в таком виде он оказывается в аккумуляторах.
Алессандро Вольта (1745-1827) – итальянский учёный-физик, один из авторов учения об электричестве, известный физиолог и химик. Открытое им «контактное электричество» создало глубокую предпосылку для изучения природы тока и поиска направлений его практического использования.
Алессандро Вольта (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Gerolamo Umberto Volta)
Алессандро Вольта появился на свет 18 февраля 1745 года в итальянском городишке Комо, расположенном рядом с Миланом. Его родители Филиппо и Маддалена были представителями среднего класса, поэтому могли создать ребенку хорошие условия жизни. В раннем детстве воспитанием мальчика занималась кормилица, уделявшая мало внимания развитию ребенка. Будущий ученый начал разговаривать только в четыре года, с трудом произнося звуки. Тогда все свидетельствовало об определенной умственной отсталости ребенка, произнесшего первым слово «Нет».
Только к семи годам мальчик приобрел полноценную речь, но вскоре потерял отца. На воспитание Алессандро взял родной дядя, который дал возможность получить племяннику хорошее образование в школе ордена иезуитов. Он с усердием изучал историю, латынь, математику, жадно впитывая все знания. Практически сразу выявилась страсть Вольты к физическим явлениям. Ради этого он устроил переписку с известным в то время автором и демонстратором физических опытов аббатом Жаном-Антуаном Нолле.
В 1758 году земляне в очередной раз наблюдали приближение к планете кометы Галлея. Пытливый ум Вольта сразу проявил огромный интерес к этому явлению, и юноша принялся изучать научное наследие Исаака Ньютона. Также он интересовался работами и по мотивам одной из них соорудил в своем городе громоотвод, оглашавший окрестности звоном колокольчиков во время грозы.
После окончания учебы Алессандро остался преподавать физику в гимназии Комо. Однако роль скромного учителя не соответствовала уровню таланта Вольты и через несколько лет он становится профессором физики одного из старейших университетов в Павии (город на севере Италии в регионе Ломбардия). После переезда сюда Вольта много путешествовал по Европе, побывав со своими лекциями во многих столицах. В этой должности ученый проработает 36 лет, а в 1815 году он возглавил философский факультет университета в Падуе.
Ещё в годы учительства Вольта всецело предавался науке и активно занимался изучением атмосферного электричества, проводя серию опытов по электромагнетизму и электрофизиологии. Первым заметным изобретением итальянца стал конденсаторный электроскоп, оснащенный расходящимися соломинками. Такой прибор был гораздо чувствительнее своих предшественников с подвешенными на нитке шариками.
В 1775 году Алессандро изобрел электрофор (электрическую индукционную машину), способную вырабатывать разряды статического электричества. В основе работы прибора лежало явление электризации с помощью индукции. Он состоит из двух металлических дисков, один из которых покрыт смолой. В процессе его натирания происходит заряд отрицательным электричеством. При поднесении к нему другого диска последний заряжается, однако если отвести несвязанный ток в землю предмет получит положительный заряд. С помощью многократного повторения этого цикла можно существенно увеличивать заряд. Автор утверждал, что его прибор не теряет эффективности даже через трое суток после зарядки.
Во время одной из лодочных прогулок по озеру, Вольта сумел убедиться, что находящийся на дне газ хорошо горит. Это позволило ему сконструировать газовую горелку и выдвинуть предположение о возможности строительства линии проводной сигнальной электропередачи. В 1776 году ученому удалось создать электро-газовый пистолет («пистолет Вольта»), действие которого основано на взрыве метана от электрической искры.
К своему самому известному открытию ученый пришел занимаясь изучением опытов своего соотечественника Луиджи Гальвани, которому удалось обнаружить эффект сокращения мышечных волокон препарированной лягушки в процессе взаимодействия ее вскрытого нерва с двумя разнородными металлическими пластинками. Автор открытия объяснил явление существованием «животного» электричества, однако Вольта предложил другую интерпретацию. По его мнению, подопытная лягушка выступала своеобразным электрометром, а источником тока был контакт разнородных металлов. Сокращение мышц было вызвано вторичным эффектом от действия электролита – жидкости, находящейся в тканях лягушки.
Чтобы доказать правильность выводов Вольта провел эксперимент на самом себе. Для этого он приложил к кончику языка оловянную пластинку и параллельно к щеке серебряную монету. Предметы были соединены небольшой проволочкой. В результате ученый почувствовал языком кисловатый привкус. В дальнейшем он усложнил свой опыт. На этот раз Алессандро положил себе на глаз кончик оловянного листочка, а во рту разместил серебряную монету. Предметы соприкасались друг с другом с помощью металлических острий. Всякий раз при контакте он чувствовал глазом свечение, подобное эффекту молнии.
В 1799 году Александро Вольта окончательно пришел к выводу, что «животного электричества» не существует, а лягушка реагировала на электрический ток возникающий при контакте разнородных металлов.
Этот вывод Алессандро использовал при разработке собственной теории «контактного электричества». Сначала он доказал, что при взаимодействии двух металлических пластин одна приобретает большее напряжение. В ходе дальнейшей серии экспериментов Вольта убедился, что для получения серьезного электричества одного контакта разнородных металлов мало. Оказывается, для появления тока необходима замкнутая цепь, элементами которой выступают проводники двух классов – металлы (первый) и жидкости (второй).
В 1800 году ученый сконструировал Вольтов столб – простейший вариант источника постоянного тока. В его основе лежали 20 пар металлических кружочков, выполненные из двух видов материала, которые были разделены бумажными или тканевыми прослойками, смоченными щелочным раствором или соленой водой. Присутствие жидких проводников автор объяснял наличием особого эффекта, согласно которому в ходе взаимодействия двух различных металлов появляется некая «электродвижущая» сила. Под ее воздействием электричество противоположных знаков сосредотачивается на разных металлах. Однако Вольта не смог понять, что ток возникает как результат химических процессов между жидкостями и металлами, поэтому представил иное объяснение.
Если сложить вертикальный ряд пар различных металлов (например, цинка и серебра без прокладок), то заряженная током одного знака цинковая пластина будет взаимодействовать с двумя серебряными, которые заряжены электричеством противоположного знака. В результате вектор их совместного действия будет обнуляться. Для обеспечения суммирования их действий необходимо создать контакт цинковой пластины только с одной серебряной, что можно достичь с помощью проводников второго класса. Они эффективно дифференцируют пары металлов и не создают помех для движения тока.
Вольтов Столб — гальванический элемент (химический источник постоянного тока). По сути дела — это первая в мире аккумуляторная батарея
О своем открытии в 1800 году Вольта сообщил Лондонскому королевскому обществу. С этого времени источники постоянного тока, изобретенные Вольтой, стали известны всему физическому сообществу.
Несмотря на определенную научную ограниченность выводов Алессандро вплотную приблизился к созданию гальванического элемента, который связан с трансформацией химической энергии в электрическую. В дальнейшем ученые многократно проводили эксперименты с вольтовым столбом, которые привели к открытию химических, световых, тепловых, магнитных действий электричества. Одним из наиболее заметных вариантов конструкции вольтова столба можно признать гальваническую батарею В. Петрова.
В качестве эксперимента, можно создать Волтов столб своими руками из подручных средств.
Вольтов столб своими руками. Между медными монетами находится кусочки салфетки смоченные уксусом (электролитом) и кусочки алюминиевой фольги
Иногда Вольту считают создателем прототипа современной свечи зажигания, без которой невозможно представить автомобиль. Он сумел изготовить простую конструкцию, состоящую из металлического стержня, который находился внутри глиняного изолятора. Также он создал собственную электрическую батарею, названную им «короной сосудов». Она состоит из последовательно соединенных медных и цинковых пластин, которые находятся внутри сосудов с кислотой. Тогда это был солидный источник тока, которого сегодня хватило бы на приведение в действие маломощного электрического звонка.
Вольта создал специальный прибор, предназначенный для изучения свойств горящих газов, который получил название эвдиометр. Он представлял собой сосуд, наполненный водой, который в перевернутом виде опускается в специальную чашу с жидкостью. После долгой паузы в 1817 году Вольту публикует теорию града и периодичности гроз.
Супругой итальянского ученого стала графиня Тереза Перегрини, родившая ему троих сыновей.В 1819 году, находящийся в годах ученый, покидает общественную жизнь и удаляется к себе в имение. Алессандро Вольта скончался 5 марта 1827 года в собственном имении Камнаго и был захоронен на его территории. Впоследствии оно получило новое название Камнаго-Вольта.
После смерти судьба сыграла с ученым злую шутку. Во время выставки, посвященной вековому юбилею создания «Вольтова столба» случился большой пожар, практически полностью уничтоживший его личные вещи и приборы, а причиной возгорания была названа неисправность электрических проводов.
Вольта демонстрирует Наполеону свои изобретения — Вольтов столб и гелиевую пушку
Портрет Алессандро Вольты на купюре в 10000 лир. Купюра вышла в обращение в 1984 году
Для проверки работы отдельных блоков бытовых приборов домашнему мастеру может понадобиться напряжение 12 вольт как постоянного, так и переменного тока. Подробно разберем оба случая, но вначале необходимо рассмотреть еще одну величину электроэнергии - мощность, которая характеризует способность устройства надежно совершить работу.
Если мощности источника будет недостаточно, то он не выполнит задачу. К примеру, блок питания компьютера и аккумулятор автомобиля выдают 12 вольт. Токи нагрузки у компьютера редко превышают значения 20 ампер, а стартерный ток аккумулятора автомобиля больше 200 А.Автомобильный аккумулятор обладает большим резервом мощности для задач компьютера, а вот блок питания ПК при таком же напряжении 12 вольт абсолютно не пригоден для раскрутки стартера, он просто сгорит.
Способы получения постоянного напряжения
Из гальванических элементов (батареек)
Промышленность выпускает круглые батарейки различных габаритов (зависят от мощности) с напряжением 1,5 вольта. Если взять 8 штук, то из них при последовательном подключении как раз получится 12 вольт.
Соединять между собой выводы батареек надо поочередно «плюсом» предыдущей к «минусу» последующей. Напряжение 12 вольт будет между первым и последним выводами, а промежуточные значения, например, 3, 6 или 9 вольт можно замерить на двух, четырех, шести батарейках.
Емкости элементов не должны отличаться, иначе мощность схемы будет уменьшена ослабленной батарейкой. Для таких устройств желательно применять все элементы однотипной серии с общей датой изготовления. Ток нагрузки от всех 8 батареек, собранных последовательно, соответствует величине, указанной для одного элемента.
Если возникнет необходимость подключения такой батареи к нагрузке, в два раза превышающей номинальную величину источника, то потребуется создать еще одну подобную конструкцию и обе батареи подключить параллельно, соединив между собой их однополярные выводы: «+» к «+», а «-» к «-».
Из малогабаритных акккумуляторов
Никель-кадмиевые аккумуляторы выпускаются с напряжением 1,2 вольта. Чтобы получить от них 12 вольт понадобится 10 элементов соединять последовательно, как в рассмотренной перед этим схеме.
По такому же принципу собирают батарею из никель-металл-гидридных АКБ.
Аккумуляторная батарея используется для более длительной работы, чем из обычных гальванических элементов: АКБ можно подзаряжать и перезаряжать многократно при необходимости.
От блоков питания, работающих на переменном токе
Многие бытовые приборы имеют встроенную электронику, которая питается от выпрямленного напряжения, получаемого в результате преобразования 220 вольт. Блоки питания компьютера, ноутбука как раз выдают 12 вольт выпрямленного и .
Достаточно подключиться к соответствующим клеммам выходного разъема и запитать блок питания, чтобы получить от него 12 вольт.
Аналогичным образом можно воспользоваться блоками питания старых радиоприемников, магнитофонов и устаревших телевизоров.
Кроме того, можно самостоятельно собрать блок питания для постоянного тока, выбрав для него подходящую схему. Наиболее распространены , преобразующие 220 вольт во вторичное напряжение, которое выпрямляется диодным мостом, сглаживается конденсатором и регулируется транзистором с помощью подстроечного резистора.
Подобных схем можно найти много. В них удобно включать стабилизаторные устройства.
Способы получения переменного напряжения
Посредством трансформатора
Самым доступным методом считается применение понижающего трансформатора, который уже показан на предыдущей схеме. Промышленность уже давно выпускает такие устройства для различных целей.
Однако домашнему мастеру совсем не сложно сделать трансформатор для своих нужд из старых конструкций.
Для подключения трансформатора к сети 220 на первичную обмотку следует подавать питание через защиту, вполне можно обойтись проверенным предохранителем, хотя автоматический выключатель лучше подойдет для этих целей.
Вся схема вторичной нагрузки должна быть собрана заранее и проверена. Резерв мощности трансформатора около 30% позволит длительно его эксплуатировать без перегрева изоляции.
Другие методы
Технически возможно получить 12 вольт переменного тока от генератора, который приводится во вращение каким-либо двигателем или за счет преобразования постоянного тока инвертором. Однако эти способы более подходят для промышленных установок и отличаются сложной конструкцией. Поэтому в быту практически не используются.
Выбор сечения провода для постоянного тока. Падение напряжения (пояснения в статье)
Говорят, что в своё время между Эдисоном и Тесла проходило соперничество – какой ток выбрать для передачи на большие расстояния – переменный или постоянный? Эдисон был за то, чтобы для передачи электричества использовать постоянный ток. Тесла утверждал, что переменный ток легче передавать и преобразовывать.
Впоследствии, как известно, победил Тесла. Сейчас повсеместно используется переменный ток, в России с частотой 50 Гц. Такой ток дешевле передавать на большие расстояния. Хотя, есть и линии электропередач постоянного тока специального применения.
А если использовать высокие напряжения (например, 110 или 10 кВ), то выходит значительная экономия на проводах, по сравнению с низким напряжением. Об этом я рассказываю в статье про то, .
Забегая вперед, скажу, что расчет сечения провода для постоянного тока строится на двух критериях:
Первый пункт для постоянного тока наиболее важен, а второй лишь вытекает из первого.
Теперь обстоятельно, по порядку, для тех, кто хочет ПОНИМАТЬ.
Статья будет конкретная, с теоретическими выкладками и формулами. Кому не интересно, что откуда и почему, советую перейти сразу к Таблице 2 – Выбор сечения провода в зависимости от тока и падения напряжения.
2. Синий цвет – когда применение слишком толстого провода экономически и технически нецелесообразно и дорого. За порог взял падение менее 1 В на длине 100 м.
Как пользоваться таблицей выбора сечения?
Пользоваться таблицей 2 очень просто. Например, нужно запитать некое устройство током 10А и постоянным напряжением 12В. Длина линии – 5 м. На выходе блока питания можем установить напряжение 12,5 В, следовательно, максимальное падение – 0,5В.
В наличии – провод сечением 1,5 квадрата. Что видим из таблицы? На 5 метрах при токе 10 А потеряем 0,1167 В х 5м = 0,58 В. Вроде бы подходит, учитывая, что большинство потребителей терпит отклонение +-10%.
Но. ПрОвода ведь у нас фактически два, плюс и минус, эти два провода образуют кабель, на котором и падает напряжение питания нагрузки. И так как общая длина – 10 метров, то падение будет на самом деле 0,58+0,58=1,16 В.
Иначе говоря, при таком раскладе на выходе БП 12,5 Вольт, а на входе устройства – 11,34. Этот пример актуален для .
И это – не учитывая переходное сопротивление контактов и неидеальность провода (“проба” меди не та, примеси, и т.п.)
Поэтому такой кусок кабеля скорее всего не подойдет, нужен провод сечением 2,5 квадрата. Он даст падение 0,7 В на линии 10 м, что приемлемо.
А если другого провода нет? Есть два пути, чтобы снизить потерю напряжения в проводах.
1. Надо размещать источник питания 12,5 В как можно ближе к нагрузке. Если брать пример выше, 5 метров нас устроит. Так всегда и делают, чтобы сэкономить на проводе.
2. Повышать выходное напряжение источника питания. Это черевато тем, что с уменьшением тока нагрузки напряжение на нагрузке может подняться до недопустимых пределов.
Например, в частном секторе на выходе трансформатора (подстанции) устанавливают 250-260 Вольт, в домах около подстанции лампочки горят как свечи. В смысле, недолго. А жители на окраине района жалуются, что напряжение нестабильное, и опускается до 150-160 Вольт. Потеря 100 Вольт! Умножив на ток, можно вычислить мощность, которая отапливает улицу, и кто за это платит? Мы, графа в квитанции “потери”.
Вывод по выбору сечения провода для постоянного напряжения:
Чем короче и толще провод, по которому течет постоянный ток, тем меньше падение напряжения на нём, тем лучше . То есть, потеря напряжения в проводах минимальна.
Если смотреть на таблицу 2, нужно выбирать значения сверху-справа, не переходя в “синюю” зону.
Для переменного тока ситуация та же, но вопрос не стоит столь остро – там мощность передается за счет повышения напряжения и понижения тока. См. формулу (1).
В заключение – таблица, в которой падение постоянного напряжения задано пределом 2% , а напряжение питания равно 12 В. Искомый параметр – максимальная длина провода.
Внимание! Имеется ввиду двухпроводная линия, например кабель, содержащий 2 провода. То есть, тот случай, когда через кабель длиной 1 м ток делает путь 2 м, туда-сюда. Я привёл этот вариант, т.к. он чаще всего встречается на практике. Для одного провода, чтобы узнать падение на нём напряжения, надо число внутри таблицы умножить на 2. Спасибо внимательным читателям!
Таблица 3. Максимальная длина провода для падения постоянного напряжения 2%.
S,мм² 1 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 75 100 1 7 10,91 17,65 28,57 42,86 70,6 109,1 176,5 244,9 – – – 2 3,53 5,45 8,82 14,29 21,4 35,3 54,5 88,2 122,4 171,4 – – 4 1,76 2,73 4,41 7,14 10,7 17,6 27,3 44,1 61,2 85,7 130,4 – 6 1,18 1,82 2,94 4,76 7,1 11,7 18,2 29,4 40,8 57,1 87 117,6 8 0,88 1,36 2,2 3,57 5,4 8,8 13,6 22 30,6 42,9 65,25 88,2 10 0,71 1 1,76 2,86 4,3 7,1 10,9 17,7 24,5 34,3 52,2 70,6 15 – 0,73 1,18 1,9 2,9 4,7 7,3 11,8 16,3 22,9 34,8 47,1 20 – – 0,88 1,43 2,1 3,5 5,5 8,8 12,2 17,1 26,1 35,3 25 – – – 1,14 1,7 2,8 4,4 7,1 9,8 13,7 20,9 28,2 30 – – – – 1,4 2,4 3,6 5,9 8,2 11,4 17,4 23,5 40 – – – – – 1,8 2,7 4,4 6,1 8,5 13 17,6 50 – – – – – – 2,2 3,5 4,9 6,9 10,4 14,1 100 – – – – – – – 1,7 2,4 3,4 5,2 7,1 150 – – – – – – – – – 2,3 3,5 4,7 200 – – – – – – – – – – 2,6 3,5 Наша полторашка по этой таблице может иметь длину только 1 метр. Падать на ней будет 2%, или 0,24В. Проверяем по формуле (4) – всё сходится.
Если напряжение выше (например, 24 В постоянного тока), то и длина может быть соответственно больше (в 2 раза).
Всё вышесказанное относится не только к постоянному, но и вообще к низкому напряжению. И при выборе площади сечения в таких случаях следует руководствоваться не только нагревом провода, но и падением напряжения на нём. Например, при .
Прошу прокомментировать статью, у кого как теория совпадает с практикой?
