Электротехника — это как иностранный язык. Кто-то уже давно и в совершенстве владеет им, кто-то только начинает знакомиться, а для кого-то — это пока что недостижимая, но манящая цель. Почему многие хотят познать этот таинственный мир электричества? Всего около 250 лет люди знакомы с ним, но сегодня уже трудно себе представить жизнь без электричества. Чтобы познакомиться с этим миром, и существуют теоретические основы электротехники (ТОЭ) для чайников.
Первое знакомство с электричеством
В конце XVIII века французский ученый Шарль Кулон стал активно исследовать электрические и магнитные явления веществ. Именно он открыл закон электрического заряда, который и назвали в честь него, — кулон.
Сегодня известно, что любое вещество состоит из атомов и вращающихся вокруг них электронов по орбитали. Однако в некоторых веществах электроны удерживаются атомами очень крепко, а в других эта связь слабая, что позволяет электронам свободно отрываться от одних атомов и прикрепляться к другим.
Для понимания, что это такое, можно представить большой город с огромным количеством машин, которые движутся без каких-либо правил. Эти машины движутся хаотично и не могут совершать полезную работу. К счастью, электроны не разбиваются, а отскакивают друг от друга, как мячики. Чтобы получить пользу от этих маленьких тружеников, необходимо выполнить три условия:
- Атомы вещества должны свободно отдавать свои электроны.
- К этому веществу необходимо приложить силу, которая заставит двигаться электроны в одном направлении.
- Цепь, по которой движутся заряженные частицы, должна быть замкнутой.
Именно соблюдение этих трех условий и лежит в основе электротехники для начинающих.
Создание гальванического элемента
Все элементы состоят из атомов. Атомы можно сравнить с Солнечной системой, только у каждой системы свое количество орбит, и на каждой орбите может находиться сразу несколько планет (электронов). Чем дальше орбита находится от ядра, тем меньшее притяжение испытывают на себе электроны, находящиеся на этой орбите.
Притяжение зависит не от массы ядра, а от разной полярности ядра и электронов. Если ядро имеет заряд +10 единиц, электроны в общей сложности тоже должны иметь 10 единиц, но отрицательного заряда. Если электрон с внешней орбиты улетит, то суммарная энергия электронов будет уже -9 единиц. Простой пример на сложение +10 + (-9) = +1. Получается, что атом имеет положительный заряд.
Бывает и наоборот: ядро имеет сильное притяжение и захватывает «чужой» электрон. Тогда на его внешней орбите появляется «лишний», 11-й электрон. Тот же пример +10 + (-11) = -1. В этом случае атом будет отрицательно заряжен.
Если в электролит опустить два материала, обладающих противоположным зарядом, и к ним подключить через проводник, например, лампочку, то в замкнутой цепи потечет ток, и лампочка загорится. Если цепь разорвать, к примеру, через выключатель, то лампочка потухнет.
Электрический ток получается следующим образом. При воздействии электролита на один из материалов (электрод) в нем возникает излишек электронов, и он становится отрицательно заряженным. Второй электрод, наоборот, при действии электролита отдает электроны и становится положительно заряженным. Каждый электрод соответственно обозначается «+" (избыток электронов) и «-" (нехватка электронов).
Хотя электроны имеют отрицательный заряд, но электрод отмечают «+". Эта путаница произошла на заре электротехники. В то время считали, что перенос заряда происходит положительными частицами. С тех пор было составлено множество схем, и чтобы их не переделывать, оставили все как есть.
В гальванических элементах электрический ток образуется в результате химической реакции. Объединение нескольких элементов называют батареей, такое правило можно найти в электротехнике для «чайников». Если возможен обратный процесс, когда под действием электрического тока в элементе накапливается химическая энергия, то такой элемент называют аккумулятором.
Гальванический элемент изобрел Алессандро Вольта в 1800 году. Он использовал медные и цинковые пластины, опущенные в раствор соли. Это стало прообразом современных аккумуляторов и батарей.
Виды и характеристики тока
После получения первого электричества появилась идея передавать эту энергию на некоторое расстояние, и здесь возникли трудности. Оказывается, электроны, проходя через проводник, теряют часть своей энергии, и чем длиннее проводник, тем больше эти потери. В 1826 году Георг Ом установил закон, отслеживающий взаимоотношение между напряжением, током и сопротивлением. Читается он следующим образом: U=RI. Если словами, то получается: напряжение равно произведению силы тока на сопротивление проводника.
Из уравнения видно, что чем длиннее проводник, который увеличивает сопротивление, тем меньше будет ток и напряжение, следовательно, уменьшится мощность. Устранить сопротивление невозможно, для этого нужно понизить температуру проводника до абсолютного нуля, что осуществимо лишь в лабораторных условиях. Ток необходим для мощности, поэтому его трогать тоже нельзя, остается только повысить напряжение.
Для конца XIX века это была непреодолимая проблема. Ведь в то время не было ни электростанций, вырабатывающих переменный ток, ни трансформаторов. Поэтому инженеры и ученые устремили свой взор на радио, правда, оно сильно отличалось от современного беспроводного. Правительство разных стран не видело выгоды от этих разработок и не спонсировало такие проекты.
Чтобы можно было трансформировать напряжение, увеличивать или уменьшать его, необходим переменный ток. Как это работает, можно увидеть из следующего примера. Если провод свернуть в катушку и внутри неё быстро перемещать магнит, то в катушке возникнет переменный ток. В этом можно убедиться, подключив к концам катушки вольтметр с нулевой отметкой посередине. Стрелка прибора будет отклоняться влево и вправо, это будет свидетельствовать о том, что электроны движутся то в одном направлении, то в другом.
Такой способ получения электроэнергии называется магнитная индукция. Его используют, например, в генераторах и трансформаторах, получая и изменяя ток. По своей форме переменный ток может быть:
- синусоидальным;
- импульсным;
- выпрямленным.
Типы проводников
Первое, что влияет на электрический ток — это проводимость материала. Такая проводимость у разных материалов разная. Условно все вещества можно разделить на три вида:
- проводник;
- полупроводник;
- диэлектрик.
Проводником может быть любое вещество, свободно пропускающее через себя электрический ток. К ним относятся такие твердые материалы, как, например, металл или полуметалл (графит). Жидкие — ртуть, расплавленные металлы, электролиты. А также сюда входят ионизированные газы.
Исходя из этого, проводники делят на два типа проводимости:
- электронный;
- ионный.
К электронной проводимости относятся все материалы и вещества, в которых для создания электрического тока используются электроны. К таким элементам относятся металлы и полуметаллы. Хорошо проводит ток и углерод.
В ионной проводимости эту роль выполняет частица, имеющая положительный или отрицательный заряд. Ион — это частица с недостающим или лишним электроном. Одни ионы не прочь захватить «лишний» электрон, а другие не дорожат электронами и поэтому свободно их отдают.
В соответствии с этим такие частицы могут быть отрицательно заряженными и положительно заряженными. Примером служит соленая вода. Основным веществом является дистиллированная вода, которая является изолятором и не проводит ток. При добавлении соли она становится электролитом, то есть проводником.
Полупроводники в обычном состоянии не проводят ток, но при внешнем воздействии (температура, давление, свет и подобное) они начинают пропускать ток, хотя и не так хорошо, как проводники.
Все остальные материалы, не вошедшие в первые два вида, относятся к диэлектрикам или изоляторам. Они в обычных условиях практически не проводят электрический ток. Это объясняется тем, что на внешней орбите электроны очень прочно держатся на своих местах, а места для других электронов нет.
Применяемые радиодетали
При изучении электрики для «чайников» нужно помнить, что применяются все ранее перечисленные виды материалов. Проводники, в первую очередь, используются для соединения элементов схемы (в том числе в микросхемах). Могут присоединять источник питания к нагрузке (это, например, шнур от холодильника, электропроводка и т. д). Применяются при изготовлении катушек, которые, в свою очередь, могут использоваться в неизменном виде, например, на печатных платах либо в трансформаторах, генераторах, электродвигателях и т. п.
Проводники наиболее многочисленны и многообразны. Почти все радиодетали изготавливаются из них. Для получения варистора, например, может использоваться один полупроводник (карбид кремния или оксид цинка). Есть детали, в состав которых входят проводники разных типов проводимости, например, диоды, стабилитроны, транзисторы.
Особую нишу занимают биметаллы. Это соединение двух или более металлов, у которых разная степень расширения. Когда такая деталь нагревается, то она деформируется, благодаря разному процентному расширению. Обычно используется в токовой защите, например, для защиты электродвигателя от перегрева или отключения прибора по достижению заданной температуры, как в утюге.
Диэлектрики в основном выполняют функцию защиты (например, изоляционные ручки электроинструментов). Также они позволяют изолировать элементы электрической схемы. Печатная плата, на которой крепятся радиодетали, изготавливается из диэлектрика. Провода катушки покрываются изоляционным лаком для предотвращения замыкания между витками.
Меры безопасности
Однако диэлектрик при добавлении проводника становится полупроводником и может проводить ток. Тот же самый воздух становится проводником во время грозы. Сухое дерево плохо проводит ток, но если его намочить, оно уже не будет безопасным.
Электрический ток играет огромную роль в жизни современного человека, но, с другой стороны, может представлять смертельную опасность. Обнаружить его, например, в проводе, лежащем на земле, очень трудно, для этого нужны специальные приборы и знания. Поэтому при пользовании электрическими приборами нужно соблюдать предельную осторожность.
Человеческое тело состоит преимущественно из воды, но это не дистиллированная вода, которая является диэлектриком. Поэтому для электричества тело становится почти проводником. Получив электрический удар, мышцы сокращаются, что может привести к остановке сердца и дыхания. При дальнейшем действии тока кровь начинает закипать, затем происходит иссушение тела и, наконец, обугливание тканей. Первое, что нужно сделать, — прекратить действие тока, при необходимости оказать первую помощь и вызвать медиков.
В природе образуется статическое напряжение, но оно чаще всего не представляет опасности для человека, за исключением молнии. Зато оно может быть опасно для электронных схем или деталей. Поэтому при работе с микросхемами и полевыми транзисторами пользуются заземленными браслетами.
