Бачи Алекс. Часть 5. Электричество (Куэм)

В повседневной жизни мы постоянно пользуемся электричеством, но мало кто может толково объяснить, что это такое. Многие знают старую байку с экзаменом по физике, на котором студенту попадается вопрос: "Что такое электричество?". Он путается, краснеет, мямлит что-то невразумительное о том, что ещё вчера знал, но сегодня так переволновался, что напрочь всё забыл. На что профессор с горечью в голосе говорит:

- Вот незадача... был один единственный человек на земле, который знал, что такое электричество, и тот забыл...

Попытаемся внести ясность и в этот важный для физики вопрос, благо весь необходимый инструментарий у нас для этого имеется.

Пожалуй, начнём...

Электрический ток

Вначале заглянем в учебник:

Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.

Собственно, на этом размышление можно было бы закончить, поскольку формулировка предельно лаконична и точна, при этом, она целиком отражает суть рассматриваемого физического явления. Мало того, если верить историкам, практически в неизменном виде она существует уже почти пять столетий. Но не будем спешить с выводами, и поинтересуемся, что современная наука понимает под электрическим током, который находится в розетке, и механизм, благодаря которому электричество светит, греет и вращает моторы. Смотрим:

Электрический ток - направленное движение частиц, носителей электрического заряда. Такими частицами могут являться: в металлах - электроны, в электролитах положительные и отрицательные ионы.

К этому определению имеются серьёзные возражения. Во-первых, электрон не может быть "носителем" электрического заряда, поскольку согласно определению - это отрицательно заряженная частица, которая движется навстречу электрическому току, то есть - от минусового вывода источника к плюсовому. К тому же, согласно традиционному представлению о заряде, они имеют разный знак - плюс и минус. В таком случае, хотелось бы поинтересоваться у автора учебника:

Носителем какого типа заряда является электрон, отрицательный по своему "происхождению"?

И какая элементарная частица переносит заряд другого знака?

На первый взгляд эти вопросы кажутся по-детски наивными, но именно они разрушают всю стройность современного представления об электричестве. И всё же, самый главный вопрос, на который "электронная теория" ответить не может, звучит так:

Почему электрон движется от минуса к плюсу, а электрический ток - от плюса к минусу?

Разговоры о том, что это - некая условность, принятая ещё на заре первых опытов с электричеством, и не являющаяся чем-то достойным объяснения и обоснования, не выдерживают никакой критики. Дело в том, что амперметр никогда не ошибается, и всегда точно указывает направление движения тока - от "плюса" к "минусу". Это значит, что даже если электрон и переносит на себе заряды, то током точно называться не может, поскольку движется в обратном направлении.

Во-вторых, заряд сам по себе является полноценным материальным объектом, а вовсе не каким-то свойством, на что прямо указывает Закон сохранения заряда:

Электрические заряды не появляются и не исчезают, а лишь передаются от одного тела к другому, либо перераспределяются внутри тела.

То есть, означенный выше закон самым прямым образом говорит, что Заряд - самостоятельный материальный объект, а вовсе не свойство электрона либо иона. Просто потому, что у него самого имеются свойства, как минимум - притяжения и отталкивания. В таком случае, следующий вопрос:

Почему сам заряд не может выступить в роли переносчика электричества, раз у него имеются подходящие для этого свойства?

В качестве следующего шага в наших рассуждениях, чуть упростим первую формулировку:

Электрический ток - движение электрических зарядов в проводящей среде.

Получается, что без электрона вполне можно обойтись, ведь даже если допустить, что электрические заряды имеют разные знаки, то хотя бы один их тип имеет возможность двигаться именно в том направлении, куда указывает амперметр. Чем в это время занимаются - отрицательный заряд и столь же отрицательный электрон - вопрос к преподавателю физики, который наверняка придумает, как выкрутиться из неловкой ситуации...

Электричество = Гидравлика = Механика

Движение электрического тока подчиняется общим принципам, моделируемым на каких угодно механических моделях. Наиболее близкая аналогия - поведение жидкости в гидравлической системе. С её помощью можно без особых трудностей связать электричество и механику в общий природный сценарий.

Почему именно гидравлика?

Мироздание рационально и не плодит сущности без серьёзной на то нужды, поэтому для перечисления основных природных сценариев нам хватит пальцев на руках. При этом разнообразие форм и состояний Материи просто поразительное. Причина такого положения дел достаточно прозаична - существование во Вселенной бесчисленного множества "ступеней размерности", в каждой из которой существует своя иерархия форм, размеров и состояний, а принцип масштабирования их соединяет в единую стройную систему. Именно по этой причине все природные процессы подчиняются общим закономерностям причинно-следственного свойства, в данном размышлении именуемые - Сценариями, реализуемость и исполняемость которых мало или вообще никак не зависит от физических размеров участников.

Перемещение электрических зарядов в проводящей среде имеет много общего с движением жидкости по трубам, что позволяет моделировать невидимые для зрения процессы на моделях, визуализация которых не представляет особых сложностей. Гидравлическая система отвечает всем требованиям, необходимым для работы электрической схемы.

Перечислим их:

- Любая жидкость несжимаема. То есть, гидравлической системе требуется лишь незначительное количество дополнительных элементов - молекул или атомов, чтобы изменять давление внутри системы в достаточно широких пределах. Электрический ток обладает тем же свойством, так как электрические заряды связаны между собой магнетизмом, они несжимаемы и находятся на минимально возможном расстоянии друг от друга.

- Гидравлическая система может быть, как изолированной от атмосферы, когда она состоит из двух труб - входной и выходной, так и открытой, когда функцию отвода жидкости выполняет окружающая среда. Электричество обычно движется по проводам, но существует масса случаев, когда это условие игнорируется самым неприличным образом. Разряд молнии - явный тому пример.

- Полная идентичность правила Бернулли, описывающего поведение жидкости в изолированной гидравлической системе, к закону Ома для участка цепи. Тот и другой являются частными случаями более общего - Закона сохранения энергии. Соответственно, полным "водяным аналогом" электрического тока будет произведение количества жидкости на её скорость, напряжение - это давление на каждом из участков системы, а сопротивление проводников и других элементов схемы - внутреннее сечение используемых труб, различные фитинги и изгибы. При желании, передвижение людей в городе на общественном транспорте также можно описать, как правилом Бернулли, так и законом Ома.

С самим электрическим током мы в общих чертах разобрались.

Осталось лишь уточнить, что мы понимаем под электрическим зарядом, так сказать - его тактико-технические характеристики.

Несмотря на то, что каждый отдельно рассматриваемый электрический заряд во Вселенной существует лишь в единственном экземпляре, он имеет схожие физические параметры с подобными ему, а значит - размеры каждого такого заряда находятся в определённом диапазоне значений. Тем не менее, мы намеренно откажемся от использования чисел для их определения, памятуя о том, что:

Природе не нужны числа, их придумали люди, чтобы считать деньги.

Именно поэтому сравнение с чем-то уже известным и легко представимым будем и дальше использовать в качестве основного инструмента анализа.

Итак:

В каких угодно мерах длины пространственные габариты электрического заряда будут меньше любого атома химического элемента, но вполне сопоставимы с расстоянием между атомами и молекулами в составе кластера, традиционной наукой именуемого - кристаллической решёткой. Размер заряда по "оптической классификации" будет примерно соответствовать ультрафиолетовой части спектра на границе видимости и ниже - в область радиочастот. Также можно определённо утверждать, что электрический заряд крупнее "гравитационного", близок к "световому", но меньше "теплового". Эти названия заключим в кавычки, поскольку традиционная физика плохо переносит простые имена для элементарных частиц, реально существующих и вымышленных. В любом случае, строение электрического заряда ничем не отличается от любого другого, отличие лишь в размерах. Вспомним, что любая звезда, в том числе и наше Солнце - тоже заряд для соответствующего уровня размерности.

Напряжение

В повседневной жизни мы часто путаем такие понятия как Ток и Напряжение, считая их чуть ли не синонимами. Даже не читая никаких умных книг, можно легко догадаться, что электрический Ток - это перемещение каких-то частиц по проводам. Здесь будет уместно вспомнить беседу старого деда с электриком, который подключал электричество к деревенскому дому:

- Вот я всё понимаю - электроны, провода, сопротивление, закон Ома, и всякое такое. Но никак в толк не возьму, как по проводам керосин течёт?!

Независимо от уровня образования, каждый человек электричество понимает по-своему. И всё же, движение каких-то частиц по проводам - процесс очевидный даже для людей, мало в этом разбирающихся. При этом вопрос: Что такое Напряжение? - ставит в тупик даже технически грамотного человека.

И это неудивительно, ведь заглянув в учебник, мы увидим нечто подобное:

Электрическое напряжение - это физическая величина, указывающая на величину работы, совершаемую зарядом в один Кулон.

Электрическое напряжение - это отношение работы, выполняемой электрическим полем по перемещению тестового заряда между двумя точками, к численному значению этого заряда.

Вероятно, при написании подобного опуса, автор учебника думал о чём-то ином, нежели о напряжении.

Во всяком случае, работа по перемещению заряда в один Кулон, работой и останется. Просто потому, что напряжение существует не только в замкнутой цепи, в которой течёт ток, но и вообще без тока - работу в этом случае оно никакую не совершает по определению. То есть, обе формулировки ничего не говорят о напряжении.

Сделав вывод о том, что составители учебника имеют самое смутное понимание о том, что пишут, придётся сделать эту работу за них - на простых и понятных примерах показать, чем Напряжение отличается от Тока, зачем нужно и как работает.

Приступим!

Чтобы чётко разделить такие понятия, как - Ток и Напряжение, их необходимо сопоставить с двумя базовыми характеристиками Материи - Массой и Энергией.

Поскольку электрический Ток представляет собой движение электрических зарядов, то он очевидно - величина энергетическая. Тогда Напряжение должно отражать массовые характеристики электричества, ведь Материя - совокупность Массы и Энергии, которые друг от друга неотделимы.

Следует заметить, что определение принадлежности той или иной физической величины к Массе либо к Энергии - задача не слишком сложная. Достаточно лишь проверить их на возможность существования в состоянии покоя. Любой процесс, существующий лишь в движении - будет энергетическим, все остальные в той или иной мере связаны с массой.

Очевидно, что Давление, Плотность, Сила, Потенциал и Напряжение - вовсе не обязаны совершать какую-то механическую работу, хотя их величина может исчисляться довольно высокими значениями. Их потенциал может долгое время пребывать в бездействии, но в какой-то момент реализуется через движение. В этом случае будет произведена какая-то работа.

Для более наглядной иллюстрации последнего тезиса предлагается сравнить Напряжение с обычной стальной пружиной.

Что можно сказать о любой пружине?

Во-первых, она упругая, так как изготовлена из металла с высокой плотностью. Чтобы её сжать, нужно применить силу. Если оставить пружину в сжатом состоянии, то она будет оказывать постоянное давление на поверхности, ограничивающие её распрямление. Причём, механическое напряжение в пружине может сохраняться довольно долго.

Как только сдерживающие факторы исчезнут, пружина сможет реализовать свой потенциал, высвободив его в виде механической энергии. То есть, пружина может совершить механическую работу, но вовсе не обязана это делать. И это притом, что возможность совершения работы как бы подразумевается сама собой, ведь предназначение пружины как раз в том и состоит, чтобы запасать энергию и отдавать, а не находиться вечно в сжатом состоянии.

Подчёркиванием отмечены величины, которые однозначно являются массовыми характеристиками, это - Плотность, Сила, Давление, Напряжение и Потенциал. То есть, они могут пребывать, как в Движении, так и в состоянии Покоя. Причём, все указанные величины являются физическими синонимами и одинаково применимы для обозначения Напряжения в том или ином качестве. Поэтому в наиболее простой интерпретации можно сказать, что Напряжение - это Давление зарядов на выводах источника питания, либо в участке цепи, по которому протекает электрический ток. Понятие - Сила, столь же применимо по отношению к Напряжению, так как сила, реализация которой приведёт к возникновению электрического тока в цепи.

В технической литературе довольно часто термины Напряжение и Потенциал используются в качестве синонимов для улучшения стилистики изложения. Когда речь заходит об электромагнитном поле, то мы обычно используем такие понятия как - Плотность и Напряжённость. Как уже известно из предыдущих частей данного размышления - электромагнитное поле обладает сразу тремя потенциалами - электрическим, магнитным и гравитационным, реализация каждого из которых также приведёт к совершению работы в виде магнетизма, электричества, либо к механическому движению.

Следует также отметить, что применение термина Напряжение не ограничивается лишь электротехникой. Использование его при описании механических и физиологических процессов столь же привычно - напряжение в металлах, мускульное, умственное, и это далеко не полный список. Можно даже сказать, что любое Усилие - полный аналог Напряжения.

Но, вернёмся к электричеству.

Будем считать, что с сущностью такого понятия, как Напряжение, в общих чертах мы разобрались - это "давление" электрических зарядов на выводах Источника Питания, а вовсе не Работа и не Мощность. То есть, Электрическое Напряжение с формальных позиций Энергией не является, скорее, оно отражает потенциальную возможность совершить какую-то работу. Вспомним, сравнение с пружиной.

Единственное, что несколько смущает - в традиционной физике электрическое напряжение формализуется как-то не слишком удачно. А именно:

U = A*q,

где U - напряжение, A - работа электрического поля, и q - единичный заряд, равный одному Кулону.

Ранее многократно отмечалось, что электрическое напряжение существует независимо от того, совершается работа или нет, а значит, даже если указанная выше формула действительно каким-то образом имеет отношение к напряжению, то лишь в замкнутой цепи, по которой течёт электрический ток. Что касается величины, именуемой Кулоном, то она вряд ли может серьёзно рассматриваться, поскольку относится к электростатике, согласно которой заряд вообще не может никуда перемещаться самостоятельно, а лишь прилипать к пластиковым расчёскам, эбонитовым палочкам и отклонять стрелку электроскопа от нулевого положения.

Следует также заметить, что существование электрического поля без какой-либо связи с электромагнитным - утверждение весьма сомнительное. Об этом ниже по тексту.

Таким образом, обычный бытовой вольтметр измеряет что угодно, но уж точно не работу по перемещению зарядов, равных Кулону.

И всё же, несмотря на полное непонимание наукой такого понятия, как - электрическое напряжение, многие формулы с его участием вполне работоспособны. К примеру, закон Ома, который соблюдается всегда и с этим утверждением вряд ли кто-то поспорит.

Для того чтобы дать понятию "напряжение" хоть какую-то привязку к действительности, не используя полумифические сущности, такие как - электрическое поле и единичный заряд, предлагается использовать уже известную в науке величину, но применяемую крайне нерационально. В качестве "агента", отвечающего за количество электрических зарядов, существующих в некоторой точке физического пространства, может выступить Потенциал, который мы традиционно означим литерой q (ку), без какой-либо связи с Кулоном. Именно он будет порцией "электрического давления", измеряемого в Вольтах. Соответственно, изменится и формула электрического напряжения. К счастью, целиком переписывать учебник физики не потребуется, а лишь чуть сократить уже существующее определение, удалив из него всё лишнее.

Получится следующее:

Электрическое напряжение - величина, равная разности потенциалов между двумя точками.

Символьная запись будет такой:

U=q2-q1, где U - напряжение, q2 - больший потенциал (условно "плюсовой" вывод источника), q1 - меньший потенциал ("минусовой").

Здесь мы умышленно не упоминаем, ни электрическую цепь, ни электрическое поле, ни другие сущности, которые в данном определении избыточны. Просто потому, что измерить разность потенциалов нетрудно даже в воздухе, ведь он является хорошим диэлектриком, который по определению умеет накапливать и сохранять электрические заряды. Можно замерить разницу потенциалов на выводах батарейки или на двух проводках, воткнутых в яблоко или картофель - это тоже будет электрическое напряжение, способное зажечь светодиод, при условии, что электроды будут из разных металлов, даже не особенно важно, каких. Что под руку попадётся...

Теперь вспомним, что для электричества, гидравлики, пневматики и механики природа использует общие сценарии.

Электрическое напряжение можно проиллюстрировать следующими механическими моделями:

У нас есть тележка, стоящая на платформе в паре метров от земли, которую нужно спустить вниз. Её потенциал - это вес, который позволяет тележке скатиться самостоятельно с двухметровой высоты, нужно лишь создать подходящие для этого условия. Пара досок вполне сгодится для такой задачи. С их помощью соединяем платформу с уровнем земли и чуть подталкиваем тележку. Она покатится вниз, а по достижении нижней точки своего пути ещё немного проедет вперёд и остановится. Существовавший до этого потенциал реализован, разницы в высотах больше нет, и энергии для дальнейшего движения тележки, тоже.

Чтобы исключить фактор гравитации, тележку можно никуда не поднимать, а использовать сжатую пружину и тормоз. Как только тормоз ослабит хватку, тележка покатится по горизонтальной поверхности, пока не израсходует всю запасённую в пружине энергию.

В механической модели использовались: сила тяжести, высота и энергия сжатой пружины.

Тот же сценарий рассмотрим на разнице давлений:

Берём два сосуда, один из которых наполнен водой, второй пустой. Нам нужно перелить жидкость из одной ёмкости в другую. Для этого соединяем их трубкой, на которой имеется кран. Открыв его, мы увидим, как вода потечёт из заполненной ёмкости в пустую. Процесс прекратится, когда уровни жидкости сравняются, что будет свидетельствовать об одинаковом давлении в соединённых между собой сосудах. Для того чтобы перекачать всю воду из одной ёмкости в другую, вместо крана на трубу установим насос, чтобы вновь создать разницу давлений, когда уровни жидкости в ёмкостях сравняются. Он создаст необходимую разницу потенциалов на противоположных участках дистанции.

Как видно из примеров, разница потенциалов существует ещё до начала взаимодействия, а реализуется лишь тогда, когда возникает соединение, позволяющее высвободиться энергии. То же самое происходит в электрической схеме, в которой источник тока существует автономно до тех пор, пока цепь разомкнута. На нём имеется напряжение в Вольтах, которое можно выразить через разницу Потенциалов - количество электрических зарядов, значительном на одном полюсе и недостаточном на другом. Можно сказать также, что на выводах источника питания существует давление зарядов - на одном высокое, на другом низкое.

Электрическая мощность

Любой Источник Питания, независимо от способа возникновения в нём электричества, характеризуется определённой Мощностью - наличием у него достаточного количества электрических зарядов для выполнения определённой работы.

Она складывается из двух важных компонентов:

Напряжения - начального "давления" зарядов, а когда возникнет электрическая цепь - достаточного их количество, за которое отвечает Ток. При перемножении Тока и Напряжения мы получаем Мощность:

P=UI,

где P - электрическая мощность, U - напряжение, I - сила тока.

Проиллюстрировать зависимость Мощности от Тока и Напряжения можно на примере гидроэлектростанции. Благодаря плотине, перекрывающей реку, создаётся водоём, который позволяет направлять на гидротурбину необходимое количество воды для выработки электроэнергии. Высота плотины, откуда вода падает вниз - это разница Потенциалов. Без неё не имеет значения фактическая ёмкость водохранилища, так как для вращения турбины требуется, чтобы вода падала на её лопатки с определённой скоростью. Чем выше нагрузка на гидроагрегат, тем труднее воде привести его в движение, поэтому высота плотины - необходимое условие для нормальной работы гидроэлектростанции.

Но и наполнение водохранилища также важно, ведь если оно будет пустое вследствие долгой засухи, воде не хватит массы для вращения турбины, причём, независимо от высоты плотины. Таким образом, существует связь количества воды и высоты, с которой она должна падать, чтобы гидроагрегат выдавал необходимую мощность в электрическую сеть. Если по каким-то причинам один из параметров будет ниже необходимого уровня, это сразу же скажется на качестве работы всей системы.

Для измерения мощности различных электрических цепей, независимо от того, речь идёт о постоянном или переменном токе, используется термин - Ватт. Довольно часто можно встретить другое обозначение мощности - вольтампер. Поскольку эти понятия равноценны, применение того и другого - вопрос личного выбора. Продолжаем...

ЭДС

В физике существует такое понятие как - Электродвижущая сила (сокращённо ЭДС), которая измеряется в тех же Вольтах, что и Напряжение.

Формулировок в учебнике достаточно много, вот некоторые из них:

Электродвижущая сила - величина, характеризующая работу сторонних сил в действующих цепях постоянного и переменного тока, равная работе по перемещению единичного заряда вдоль всего контура.

Электродвижущая сила - способность источника энергии поддерживать разность потенциалов.

Электродвижущая сила - это физическая величина, описывающая свойства и характеристику работы сторонних сил для поддержания разности потенциалов на источнике электрического тока.

Возникновение этой величины в физике произошло достаточно ожидаемо, поскольку на вопрос возникновения электрического тока наука до сих пор не имеет ясного и однозначного ответа. По этой причине роль "виновника" пришлось поручить ЭДС, ровно тем же образом, как в древности возникновение молнии приписывали Зевсу, ответственность за бури и шторма в море возлагали на Нептуна, а чувства симпатии одного человека к другому приписывали стрелам Амура, пронзающим сердца.

Другими словами, ЭДС - это величина, введённая в науку произвольным образом в качестве "необходимой" причины возникновения электрического тока в цепи. Причём, как и многие другие физические понятия в современной науке, она существует без объяснения механизма её реализации. Будем разбираться самостоятельно...

Развиваемая в данном размышлении концепция целиком опирается на постулат Аристотеля о вечном и беспрерывном движении Материи во Вселенной. Именно по этой причине любой материальный объект изначально обладает подвижностью, либо состоит из подвижных элементов, что указывает на наличие у него собственной энергии, достаточной для взаимодействия с другими объектами.

Возникновение электрического тока - явление довольно распространённое в природе, ведь любое Движение - это и есть Энергия в том или ином виде, а значит, на роль Источника электрического тока может претендовать практически любой материальный объект, перемещающийся в пространстве определённым образом. Движение магнита относительно катушки с проводом - самый очевидный вариант, но он требует соблюдения определённой геометрии взаимодействия и наличия компонентов, которые могут быть изготовлены лишь искусственным путём - это магнит, металлический провод, железный сердечник. В природе существуют и более простые способы, дающие тот же результат - химические реакции, тепло, свет, а также, различные процессы, которые можно обобщить термином - механика. Даже во время расчёсывания волос вырабатывается статическое электричество, что уж точно не является физическим феноменом. То есть, нет никакой нужды поручать обычную для природы работу какому-то "мифическому существу", придуманному лишь для того, чтобы компенсировать недостаток знаний о природных взаимодействиях.

Следовательно, термин Электродвижущая сила из дальнейшего повествования можно исключить как избыточный.

Постоянный и переменный ток

Заглянем в учебник:

Постоянный ток - электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Переменный ток - электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Итак, начнём...

Присмотревшись к обеим формулировкам внимательно, мы легко обнаружим, что отличие одного вида тока от другого вовсе не в направлении их движения, поскольку для переменного тока упоминается некий "частный случай" в качестве исключения. Отсюда делаем вывод, что единственно возможный критерий отличия переменного тока от постоянного - изменение его (тока, а вовсе не напряжения) величины по времени.

Надо заметить, что и этот фактор тоже не является определяющим, так как в зависимости от параметров включенного в электрическую цепь устройства, измеряемый в Амперах ток может изменяться в широком диапазоне значений, как по времени, так и по величине.

Проиллюстрировать такое утверждение можно на примере с электродвигателем, вне зависимости от того, для какого тока он предназначен - переменного или постоянного. На его валу мы закрепим наждачный круг, чтобы иметь возможность изменять нагрузку. Для контроля основных параметров в цепь подключим вольтметр и амперметр. Запустив двигатель, мы увидим, что ток в цепи резко возрос, но по мере набора оборотов он снизился. Напряжение при этом практически не изменилось. Теперь прижмём к наждачному кругу заготовку из металла или дерева, тем самым увеличив нагрузку на двигатель. Амперметр покажет рост тока, а вольтметр показания опять не изменит. Теперь попробуем остановить наждачный круг, приложив к нему максимальное усилие - мотор начнёт сильно гудеть, нагреется, ток ещё больше возрастёт, а напряжение покажет лишь незначительное уменьшение. Конечно, подразумевается, что электросеть способна выдержать такую нагрузку. Максимум чего мы достигнем, это очень высоких значений протекающего в цепи тока, которые приведут к перегреву мотора и выходу его из строя. Единственный параметр, который при всех режимах работы двигателя претерпит наименьшие изменения - это напряжение в сети. Причём, не имеет значения, говорим мы о постоянном токе или о переменном.

В гидравлической системе роль амперметра исполнит датчик массового расхода жидкости, а в качестве вольтметра выступит манометр. Открывая кран, мы заметим, что движение жидкости увеличилось, при этом давление не изменилось на заметную величину. Только открыв кран полностью, мы отметим значительный рост количества протекающей через него воды и падение давления в системе.

Отсюда вывод:

Отличие постоянного тока от переменного никак не зависит от характера изменения тока в цепи. Просто потому, что подключая к розетке тот или иной электроприбор, мы потребляем ток (не напряжение), а значит, расходуем его в том или ином количестве в зависимости от потребности, независимо от того, переменный ток или постоянный.

Для электросети критичны лишь два параметра - мощность, которую она способна выдать в момент критически высокой нагрузки и напряжение. Сила тока в данном случае - следствие, но не причина.

Почему важна величина напряжения?

В отличие от тока, напряжение - критический параметр, так как оно впрямую отвечает за работоспособность электроприбора. Если напряжение в сети низкое, прибор откажется работать, если завышено, скорее всего, выйдет из строя. Аналогичная ситуация произойдёт и с гидравлической системой - если давление будет низким, вода из крана не потечёт, а если оно будет слишком высоким, лопнут трубы, и вместо того чтобы заниматься более приятными вещами, мы будем бегать с тазами и тряпками, чтобы вода не лилась на головы наших соседей.

Как уже упомянуто ранее, величина тока зависит лишь от того, какой мощности прибор мы подключили к розетке. Если это радиоприёмник, ток будет едва заметным, а если мощный пылесос в 2000 Ватт, то и ток будет значительным. Но, каким образом это можно связать с его "переменностью" или "постоянностью", не до конца понятно.

Очевидно, что авторы учебника сами до конца не понимают, о чём пишут.

Теперь обсудим направление движения тока.

Утверждение о том, что переменный ток в бытовой розетке меняет направление 50 раз в секунду, тоже вряд ли отражает действительность, поскольку формально он движется от "фазного" вывода к "нулевому". То есть, точно так же, как постоянный ток от "плюса" к "минусу". Поставив механический прерыватель в цепь постоянного тока, который бы отключал и включал его с периодичностью 50 раз в секунду, мы получим нечто схожее с переменным током, при этом смены направления тока однозначно не произойдёт. Во всяком случае, множество электроприборов после замены переменного тока "прерывистым" или "пульсирующим" продолжат работать, даже не заметив изменений. Отсюда делаем вывод, что направление движения тока не является серьёзным критерием, отличающим переменный ток от постоянного.

И всё же:

В чём разница переменного тока и постоянного?

Чтобы однозначно ответить на вопрос, который автор учебника сформулировал столь туманно и совсем неубедительно, достаточно подключить к электрической розетке обычный осциллограф, который "умеет" показывать и измерять лишь напряжение. И тогда сразу станет ясно, что Постоянным Током называется отсутствие пульсаций напряжения (а вовсе не тока) на экране, полное или частичное. Соответственно, обнаруженное изменение Напряжения в сети от минимального до максимального по форме, близкой к синусоиде, мы назовём - Переменным током. Периодичность смены - это Частота Сети - 50 или 60 Герц, в зависимости от того, какой стандарт используется в той или иной стране.

Что касается "смены направления тока", то это уже вопрос личного восприятия. Кто-то видит движение синусоиды вперёд, кто-то назад. При этом в любом лабораторном осциллографе имеется ручка "синхронизация", позволяющая "остановить" синусоиду. Интересно, что скажет автор учебника, увидев подобное чудо...

Пришло время сформулировать принципиальное отличие двух типов тока друг от друга.

Определения такие:

Постоянный ток характеризуется незначительным изменением напряжения в источнике питания.

Переменный ток характеризуется периодическим/циклическим изменением напряжения в источнике питания.

Говоря простым языком, для электрической цепи постоянный ток - это равномерный поток заряженных частиц в электрической цепи, плотность которого изменяется по мере его использования потребителем, при этом "давление" частиц в системе сохраняется в определённом диапазоне значений. Тогда переменный ток - это поток зарядов, "давление" которых циклически нарастает, то есть, пульсирует с определённой частотой - 50-60 Герц. При этом направление движения тока никакого значения не имеет.

Иногда можно услышать:

Ток переменного напряжения.

Особо отметим, что это словосочетание максимально точно передаёт суть переменного тока, хотя на первый взгляд выглядит несколько простовато.

Активное и реактивное сопротивление

Сразу договоримся, определение из учебника даже не обсуждаем, так как серьёзно относиться к таким формулировкам вряд ли следует. Во всяком случае, чтобы понять разницу между активным сопротивлением и реактивным, достаточно иметь самый минимальный житейский опыт.

Итак.

Потребитель электрического тока, который просто расходует электричество, превращая его в тепло, свет или как-то иначе, мы называем активной нагрузкой. Современный телевизор с импульсным источником питания, обычная лампочка, водонагреватель, электрическая плитка - это активные потребители. То есть, для них не имеет особого значения - переменный ток в розетке или постоянный. Если напряжение в сети останется в диапазоне 200-250 Вольт, они продолжат исправно работать.

Грубо говоря, происходит тот же процесс, когда мы забрасываем дрова в печку и получаем тепло, либо поливаем огород водой из шланга, просто расходуя имеющийся у нас запас.

Реактивной нагрузкой называется такой тип потребления энергии, когда мы используем второе свойство переменного тока - его пульсацию. Проще говоря, мы практически не расходуем электрические заряды, а пользуемся лишь вибрацией напряжения, существующей в розетке.

Для наглядности такого способа потребления энергии предлагается следующая механическая модель:

В качестве источника энергии используем маятник, к которому имеется возможность подсоединять различные устройства. К примеру, шатун, который с каждым тактом движения маятника туда-сюда будет вращать колесо, а тот в свою очередь приводить в действие водяной насос или токарный станок. В этом случае, в зависимости от нагрузки конечных устройств, мы пытаемся затормозить движение маятника, и тем самым "отбираем" его энергию. То есть, мы не расходуем вещество маятника, отпиливая от него кусочки и кидая в топку, чтобы получить энергию в виде тепла, а используем энергию его колебания.

С электрическим током в розетке происходит тот же процесс - в зависимости от мощности потребителя, реактивная нагрузка проявляется в стремлении изменить форму синусоидального характера переменного тока, но прямого расходования электрических зарядов в этом случае не происходит. Радиоприёмник с трансформаторным блоком питания вообще никак не повлияет на синусоидальный характер изменения напряжения в розетке, а мощный трансформатор или электродвигатель, приводящий в движение какой-нибудь станок или турбину, серьёзно повлияют на синусоиду, сдвинув её на определённый угол относительно "начального значения". Тот самый "косинус фи", который как раз и характеризует реактивную нагрузку. Пару слов об этом "непонятном звере":

Косинус Фи - cos ?

Когда в розетку переменного тока включен активный потребитель - электролампочка или обычный нагреватель, они не оказывают заметного влияния на форму синусоидального тока, снижая лишь её амплитуду - величину напряжения. Но когда в розетку включен электроприбор, имеющий в своём составе электромагнитный контур - катушки или конденсаторы, он не только искажает форму синусоиды питающего напряжения, но и сдвигает её на некоторый угол, что и является потреблением Мощности.

Рис. 39

На картинке выше (Рис. 39) иллюстрируется тот самый "отбор реактивной мощности" электромотором или трансформатором, который визуально представлен сдвигом синусоиды на некоторый угол, означенный как cos ?.

Теперь чуть подробнее о том, каким образом можно потреблять Реактивную Мощность, не используя впрямую электрические заряды - Активную или Электрическую Мощность.

Любое устройство, в котором в качестве активного элемента применяются катушки индуктивности и конденсаторы, будет оказывать переменному току реактивное сопротивление. Главная причина в том, что эти радиокомпоненты в процессе работы "запасают" энергию, когда напряжение в сети находится у максимальных значений, а отдают обратно, когда им вздумается, исходя из конкретных характеристик того или иного прибора. Такое "поведение" оказывает значительное противодействие электрической сети в моменты "несовпадения фаз" сетевого тока и индукционного тока, накапливаемого катушкой, что сопровождается расходованием мощности на противодействие такому изменению. То есть, электростанция вступает в противодействие с конечным устройством, растрачивая дополнительную мощность на то, чтобы сдвига синусоиды на угол фи не происходило.

Конденсатор ведёт себя так же, как и катушка индуктивности - он накапливает "давление тока" со стороны одного своего вывода, а потом отдаёт это усилие с противоположной стороны дальше в электрическую сеть. Отличие конденсатора от катушки индуктивности состоит лишь в том, что он физически не способен проводить сквозь себя ток, но он отлично передаёт Мощность - "вибрацию тока" из одного участка электрической цепи в другой. То есть, утверждение о том, что конденсатор проводит переменный ток, не вполне корректно, поскольку для любого потока частиц - переменного и постоянного - он является изолятором в полной мере.

Если использовать аналогию работы конденсатора с гидравлической системой, то конденсатор представляет собой гибкую мембрану, которая хорошо передаёт механическое движение, но проникновению жидкости из одного участка трубопровода в другой препятствует. Здесь передаётся только усилие, то есть - Мощность.

Проиллюстрируем процесс возникновения реактивной нагрузки:

Рис. 40

Между двумя камерами с поршнями располагаются два отрезка трубы, посредине которых находится отсек с резиновой перегородкой. Поршень первой камеры сдавливает жидкость в левой части рисунка, что приводит к изгибу резиновой мембраны в направлении второй камеры, расположенной справа. Давление из первой камеры передаётся во вторую, что приводит в движение поршень, соединённый посредством шатуна с колесом какого-то исполнительного устройства. Затем поршень в первой камере движется обратно, что вызывает смену направления движения жидкости во второй камере, и как следствие - снижение в ней давления, которое в свою очередь увлекает "правый" поршень в обратном направлении. Повторение этих циклов приведёт к вращению колеса исполнительного устройства, для данной механической системы являющегося Нагрузкой.

Вследствие возвратно-поступательного движения поршня, расположенного в левой части рисунка, и наличия гибкой перегородки, происходит передача Мощности из одной камеры в другую. При этом жидкости, находящиеся в каждой из камер, не имеют непосредственного контакта друг с другом и в процессе работы механической системы не смешиваются и не расходуются.

До тех пор пока на "вторичной стороне" колесо крутится без нагрузки, мощность от Источника, приводящего в движение поршень в камере N1, тратится лишь на компенсацию трения и других конструктивных недостатков системы. Как только мы попробуем притормозить вращение колеса, во всей системе возникнет реактивное сопротивление, которое выразится в повышении мощности "первичной стороны" для её преодоления, а также значительном увеличении нагрузки на все механические элементы конструкции.

Камера с гибкой перегородкой - это физическая модель, иллюстрирующая работу конденсатора в цепи переменного тока. Резиновую мембрану можно заменить на поршень, который под воздействием изменения давлений с разных сторон будет свободно перемещаться внутри цилиндра, как это изображено на следующей картинке:

Рис. 41

Рост давления жидкости в первом (левом) отсеке цилиндра заставляет поршень двигаться вправо, что вызывает рост давления во второй части цилиндра. Затем высокое давление сменится разрежением, в результате чего произойдёт смена направления движения поршня из правой части цилиндра в левую. Повторение этого цикла позволит системе иметь одинаковую мощность в обеих частях единой системы, при этом жидкости, находящиеся в каждой из них останутся изолированными друг от друга.

Полным физическим аналогом конденсатора в механических системах является пружина. При сжатии она накапливает определённую мощность, а при распрямлении отдаёт её обратно в систему.

Прежде чем перейти к следующему этапу размышления, нелишним будет ответить на простой вопрос:

Где конденсатор хранит электричество?

Несмотря на то, что современная физика местом хранения электрических зарядов уверенно называет металлические пластины, а диэлектрик между ними считает лишь изолятором, в этом утверждении можно усомниться. Более того, проведя несколько несложных опытов с минимумом приборов и материалов, легко доказать, что обкладки конденсатора выполняют роль "транспорта" для электрических зарядов, а основное их место хранения находится как раз в диэлектрике. Для проведения опыта нам потребуется вольтметр, источник постоянного напряжения, несколько пластин листового железа, меди или алюминия, а также лист любого пластика или оргстекла.

В первом эксперименте между металлических пластин мы положим лист оргстекла и зарядим получившийся конденсатор напряжением от блока питания. Замерив напряжение на пластинах, убедимся, что зарядка нашего конденсатора прошла успешно. Далее проделаем следующую операцию - поднимем верхнюю пластину, чтобы перевернуть лист пластика, после чего накроем его той же пластиной. Теперь замерим напряжение и с удивлением обнаружим, что напряжение на нашем конденсаторе осталось прежним, но полярность его поменялась.

Теперь условия опыта можно немного изменить.

Первую часть эксперимента проведём снова и зарядим "конденсатор", подав напряжение с блока питания на металлические пластины, между которыми находится лист пластика. Возьмем ещё две пластины металла, до этого лежавшие друг на друге, и поместим между ними лист пластика, который мы только что зарядили с помощью других металлических пластин. Очевидно, что на пластинах, которые до этого лежали друг на друге, не может быть никакого напряжения, поскольку они были замкнуты. Теперь лист "заряженного" пластика лежит между ними и изолирует их друг от друга. Замерим напряжение, и опять обнаружим наличие напряжения, что уже не станет для нас большой неожиданностью. Переворачивание листа пластика также даст ожидаемый результат - полярность напряжения поменяется на противоположную.

Таким образом, два эксперимента, для проведения которых не требуется никаких дорогостоящих материалов и приборов, однозначно покажут, что электрические заряды сохраняются вовсе не на металлизированных обкладках конденсатора, а в его "диэлектрическом теле", состоящем из бумаги, слюды, керамики и других материалов - изоляторов для электрического тока.

Соответственно, об электрическом поле, сортирующем заряды разного знака на пластинах, и многом другом, о чём пишут в учебниках физики по поводу конденсатора, можно смело забыть.

Транспортировка электричества

Считается, что передача постоянного тока на большие расстояния сопряжена с огромными потерями мощности, и этого недостатка лишены линии электропередач переменного тока. Первое утверждение верно лишь отчасти, как впрочем, и второе. На самом деле, главное преимущество переменного тока - удобство его преобразования, как в сторону повышения напряжения, так и в сторону уменьшения. Можно также добавить, что на этом его достоинства заканчиваются.

Первая проблема при транспортировке переменного тока возникает уже на выходе с электростанции и главный её виновник - воздух. Любой диэлектрик для переменного тока не является в полной мере изолятором, так как он является хорошим проводником Мощности, что проиллюстрировано на картинках 40 и 41. Соответственно, главные потери в высоковольтных линиях электропередачи - ёмкостные. Благодаря пульсирующему характеру напряжения в таких сетях, электрические заряды насыщают собой окружающий воздух настолько плотно, что газовая смесь, которой по природе положено быть изолятором, приобретает довольно неплохие свойства электропроводимости. Даже без ярких вспышек коронных разрядов и прогорания гирлянд изоляторов, каждую секунду такая линия теряет огромное количество мощности, поставляемой от электростанции к потребителю.

Неизлечимая болезнь всех сетей переменного тока - значительные индуктивные потери. Главное удобство переменного напряжения - лёгкость его трансформации, на стороне потребителя оборачивается вторым по значимости фактором потери мощности. Любой трансформатор является катушкой индуктивности, а для того чтобы высокое напряжение снизить до бытового уровня 0.4 кВ, переменному току понадобится пройти через несколько понижающих подстанций, каждая из которых снижает общее КПД системы.

На современном уровне развития электроники преобразование постоянного тока в сторону увеличения напряжения до сотен киловольт и выше уже не представляет серьёзной технологической трудности, поэтому некоторые энергетические компании присматриваются к возможности полностью изменить концепцию транспортировки электричества на дальние расстояния. Причём, нет серьёзной необходимости вести его до конечного потребителя. Часть оборудования, работающего на переменном токе и напряжениях не выше 3кВ, вполне может использоваться, как и прежде. В этом случае конечный потребитель даже не заметит никаких изменений. При этом стоимость транспортировки электричества от электростанции до распределительной сети должна заметно снизиться.

Факторы для этого следующие:

- воздух для постоянного тока является хорошим изолятором. Чтобы окончательно исключить атмосферное влияние на электрические провода высокого напряжения, они могут быть дополнительно изолированы, что позволит снизить потери мощности до уровня статистической погрешности. Это актуально для регионов, где влажность воздуха изменяется в широком диапазоне значений. В местах с засушливым климатом дополнительная изоляция проводам не требуется.

- высоковольтную линию постоянного тока не обязательно поднимать высоко над поверхностью земли. Более того, она может быть проложена под землёй и даже проходить по дну моря при использовании соответствующей изоляции.

- постоянный ток не требуется согласовывать с другими сетями по фазе, его можно соединять в параллель даже если напряжения на сопрягаемых участках заметно отличаются. Этот технологический момент позволяет в разы повысить надёжность электроснабжения, при этом значительно сэкономить на коммутационном оборудовании.

- реактивное сопротивление в цепях постоянного тока возникнуть не может, поскольку все катушки индуктивности при постоянном токе имеют только омическое сопротивление, а конденсатор для него - изолятор.

Оставить комментарий © Copyright Бачи Алекс Размещен: 16/04/2022, изменен: 16/04/2022. 50k. Статистика. Глава: Естествознание Иллюстрации/приложения: 3 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:

Бачи Алекс : другие произведения.

Часть 5. Электричество (Куэм)