ТОЕ для чайників або основи електротехніки для початківців
Електротехніка – це як іноземну мову. Хтось уже давно і досконало володіє ним, хтось тільки починає знайомитися, а для кого-то – це поки що недосяжна, але принадна мета. Чому багато хто хоче пізнати цей таємничий світ електрики? Всього близько 250 років люди знайомі з ним, але сьогодні вже важко собі уявити життя без електрики. Щоб познайомитися з цим світом, і існують теоретичні основи електротехніки (ТОЕ) для чайників.
Перше знайомство з електрикою
В кінці XVIII століття французький вчений Шарль Кулон став активно досліджувати електричні і магнітні явища речовин. Саме він відкрив закон електричного заряду, який і назвали на честь нього, – кулон.
Сьогодні відомо, що будь-яка речовина складається з атомів і обертаються навколо них електронів по орбіталі. Однак в деяких речовинах електрони утримуються атомами дуже міцно, а в інших цей зв'язок слабка, що дозволяє електронам вільно відриватися від одних атомів і прикріплятися до інших.
Для розуміння, що це таке, можна уявити великий місто з величезною кількістю машин, які рухаються без будь-яких правил. Ці машини рухаються хаотично і не можуть здійснювати корисну роботу. На щастя, електрони не розбиваються, а відскакують один від одного, як м'ячики. Щоб отримати користь від цих маленьких трудівників, Необхідно виконати три умови:
- Атоми речовини повинні вільно віддавати свої електрони.
- До цієї речовини необхідно прикласти силу, яка змусить рухатися електрони в одному напрямку.
- Ланцюг, по якій рухаються заряджені частинки, повинна бути замкнутою.
Саме дотримання цих трьох умов і лежить в основі електротехніки для початківців.
Створення гальванічного елемента
Всі елементи складаються з атомів. Атоми можна порівняти з Сонячною системою, тільки у кожної системи своя кількість орбіт, і на кожній орбіті може перебувати відразу декілька планет (електронів). Чим далі орбіта перебуває від ядра, тим менше тяжіння відчувають на собі електрони, що знаходяться на цій орбіті.
Тяжіння залежить не від маси ядра, а від різної полярності ядра і електронів. Якщо ядро має заряд +10 одиниць, електрони в цілому теж повинні мати 10 одиниць, але негативного заряду. Якщо електрон із зовнішньої орбіти полетить, то сумарна енергія електронів буде вже -9 одиниць. Простий приклад на додавання +10 + (-9) = +1. Виходить, що атом має позитивний заряд.
Буває і навпаки: ядро має сильне тяжіння і захоплює «чужий» електрон. Тоді на його зовнішній орбіті з'являється «зайвий», 11-й електрон. Той же приклад +10 + (-11) = -1. У цьому випадку атом буде негативно заряджений.
Якщо в електроліт опустити два матеріали, що володіють протилежним зарядом, і до них підключити через провідник, наприклад, лампочку, то в замкнутому ланцюзі потече струм, і лампочка загориться. Якщо ланцюг розірвати, наприклад, через вимикач, то лампочка згасне.
Електричний струм отримують у такий спосіб. При впливі електроліту на один з матеріалів (електрод) в ньому виникає надлишок електронів, і він стає негативно зарядженим. Другий електрод, навпаки, при дії електроліту віддає електрони і стає позитивно зарядженим. Кожен електрод відповідно позначається «+» (надлишок електронів) і «-» (нестача електронів).
Хоча електрони мають негативний заряд, але електрод відзначають «+». Ця плутанина сталася на зорі електротехніки. У той час вважали, що перенесення заряду відбувається позитивними частками. З тих пір було складено безліч схем, і щоб їх не переробляти, залишили все як є .
У гальванічних елементах електричний струм утворюється в результаті хімічної реакції.Об'єднання декількох елементів називають батареєю, таке правило можна знайти в електротехніці для «чайників». Якщо можливий зворотний процес, коли під дією електричного струму в елементі накопичується хімічна енергія, то такий елемент називають акумулятором.
Гальванічний елемент винайшов Алессандро Вольта в 1800 році. Він використовував мідні і цинкові пластини, опущені в розчин солі. Це стало прообразом сучасних акумуляторів і батарей.
Види і характеристики струму
Після отримання першого електрики з'явилася ідея передавати цю енергію на деяку відстань, і тут виникли труднощі. Виявляється, електрони, проходячи через провідник, втрачають частину своєї енергії, і чим довше провідник, тим більше ці втрати. У 1826 році Георг Ом встановив закон, що відслідковує взаємовідношення між напругою, струмом і опором. Читається він у такий спосіб: U = RI. Якщо словами, то виходить: напруга дорівнює добутку сили струму на опір провідника.
З рівняння видно, що чим довше провідник, який збільшує опір, тим менше буде струм і напруга, отже, зменшиться потужність. Усунути опір неможливо, для цього потрібно знизити температуру провідника до абсолютного нуля, що можна здійснити лише в лабораторних умовах. Струм необхідний для потужності, тому його чіпати теж не можна, залишається тільки підвищити напругу.
Для кінця XIX століття це була непереборна проблема. Адже в той час не було ні електростанцій, що виробляють змінний струм, ні трансформаторів. Тому інженери і вчені спрямували свій погляд на радіо, правда, воно сильно відрізнялося від сучасного бездротового. Уряд різних країн не бачило вигоди від цих розробок і не спонсорувала такі проекти.
Щоб можна було трансформувати напруга, збільшувати або зменшувати його, необхідний змінний струм. Як це працює, можна побачити з такого прикладу. Якщо провід згорнути в котушку і всередині неї швидко переміщати магніт, то в котушці виникне змінний струм. У цьому можна переконатися, підключивши до кінців котушки вольтметр з нульовою відміткою посередині. Стрілка приладу буде відхилятися вліво і вправо, це буде свідчити про те, що електрони рухаються то в одному напрямку, то в іншому.
Такий спосіб отримання електроенергії називається магнітна індукція. Його використовують, наприклад, в генераторах і трансформаторах, отримуючи і змінюючи струм. За своєю формою змінний струм може бути:
типи провідників
Перше, що впливає на електричний струм – це провідність матеріалу. Така провідність у різних матеріалів різна. Умовно всі речовини можна розділити на три види:
Провідником може бути будь-яка речовина, вільно пропускає через себе електричний струм. До них відносяться такі тверді матеріали, як, наприклад, метал або напівметал (графіт). Рідкі – ртуть, розплавлені метали, електроліти. А також сюди входять іонізовані гази.
Виходячи з цього, провідники ділять на два типи провідності:
До електронної провідності відносяться всі матеріали і речовини, в яких для створення електричного струму використовуються електрони. До таких елементів відносяться метали і напівметали. Добре проводить струм і вуглець.
У іонної провідності цю роль виконує частка, що має позитивний або негативний заряд. Іон – це частинка з відсутньою або зайвим електроном. Одні іони не проти захопити «зайвий» електрон, а інші не дорожать електронами і тому вільно їх віддають.
Відповідно до цього такі частинки можуть бути негативно зарядженими і позитивно зарядженими. Прикладом служить солона вода. Основним речовиною є дистильована вода, яка є ізолятором і не проводить струм. При додаванні солі вона стає електролітом, тобто провідником.
Напівпровідники в звичайному стані не проводять струм, але при зовнішньому впливі (температура, тиск, світло і подібне) вони починають пропускати струм, хоча і не так добре, як провідники.
Всі інші матеріали, які не ввійшли в перші два види, відносяться до діелектриків або ізоляторах. Вони в звичайних умовах практично не проводять електричний струм. Це пояснюється тим, що на зовнішній орбіті електрони дуже міцно тримаються на своїх місцях, а місця для інших електронів немає.
застосовувані радіодеталі
При вивченні електрики для «чайників» потрібно пам'ятати, що застосовуються всі раніше перераховані види матеріалів. Провідники, в першу чергу, використовуються для з'єднання елементів схеми (в тому числі в мікросхемах). Можуть приєднувати джерело живлення до навантаження (це, наприклад, шнур від холодильника, електропроводка і т. Д). Застосовуються при виготовленні котушок, які, в свою чергу, можуть використовуватися в незмінному вигляді, наприклад, на друкованих платах або в трансформаторах, генераторах, електродвигунах і т. П.
Провідники найбільш численні і різноманітні. Майже всі радіодеталі виготовляються з них. Для отримання варістора, наприклад, може використовуватися один напівпровідник (карбід кремнію або оксид цинку). Є деталі, до складу яких входять провідники різних типів провідності, наприклад, діоди, стабілітрони, транзистори.
Особливу нішу займають біметали. Це поєднання двох або більше металів, У яких різна ступінь розширення. Коли така деталь нагрівається, то вона деформується, завдяки різному процентному розширенню. Зазвичай використовується в струмовому захисті, наприклад, для захисту електродвигуна від перегріву або відключення приладу по досягненню заданої температури, як в прасці.
Діелектрики в основному виконують функцію захисту (наприклад, ізоляційні ручки електроінструментів). Також вони дозволяють ізолювати елементи електричної схеми. Друкована плата, на якій кріпляться радіодеталі, виготовляється з діелектрика. Провід котушки покриваються ізоляційним лаком для запобігання замикання між витками.
Заходи безпеки
Однак діелектрик при додаванні провідника стає напівпровідником і може проводити струм. Той же самий повітря стає провідником під час грози. Сухе дерево погано проводить струм, але якщо його намочити, воно вже не буде безпечним.
Електричний струм грає величезну роль в житті сучасної людини, але, з іншого боку, може становити смертельну небезпеку. Виявити його, наприклад, в проводі, що лежить на землі, дуже важко, для цього потрібні спеціальні прилади і знання. Тому при користуванні електричними приладами потрібно дотримуватися граничної обережності.
Людське тіло складається переважно з води, Але це не дистильована вода, яка є діелектриком. Тому для електрики тіло стає майже провідником. Отримавши електричний удар, м'язи скорочуються, що може призвести до зупинки серця і дихання. При подальшій дії струму кров починає закипати, потім відбувається висушування тіла і, нарешті, обвуглювання тканин. Перше, що потрібно зробити, – припинити дію струму, при необхідності надати першу допомогу і викликати медиків.
У природі утворюється статичну електрику, але воно найчастіше не представляє небезпеки для людини, за винятком блискавки. Зате воно може бути небезпечно для електронних схем або деталей. Тому при роботі з мікросхемами і польовими транзисторами користуються заземленими браслетами.