Электричество

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 2008 г. Много веков назад люди открыли особые свойства янтаря: при трении в нем возникает электрический заряд. В наши дни с помощью электричества мы имеем возможность смотреть телевизор, переговариваться с людьми на другом конце света, а также получать свет и тепло, лишь повернув для этого выключатель. Опыты с янтарем, то есть смолой хвой¬ных деревьев, окаменевшей естествен¬ным образом, проводились еще древними греками.Они обнаружили, что если янтарь потереть, то он притягивает ворсинки шер¬сти, перья и пыль. Если сильно потереть, к примеру, пластмассовую расческу о волосы, то к ней начнут прилипать кусочки бумаги.

А если потереть о рукав воздушный шарик, то он прилипнет к стене. При трении янта¬ря, пластмассы и ряда других материалов в них возникает электрический заряд.Само слово "электрический" происходит от ла¬тинского слова electrum, означающего "янтарь". Вспышка молнии - одно из самых зре¬лищных проявлении электрического заряда, Молния возникает и результате большого скопления электрических зарядов и облаках, В середине XVIIФранклин провел очень опасный эксперимент, запустив в грозовое небо воздушного змея. Он хотел доказать, что молния - результат того же электрического заряда, что возникает при тре¬нии предметов друг о друга, Если имеющие электрический заряд объ¬екты притягивают и удерживают только очень легкие предметы, то магнит может удержать довольно тяжелые куски железа.

По-этому издревле магниты применялись с поль¬зой, например, в компасах.

ОТКУДА БЕРЕТСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД? Все атомы окружены облаком электронов, которые несут отрицательный (-) электрический заряд.Электроны движутся вокруг ядра. Ядро обладает таким же суммарным заря¬дом, как и все его электроны, но это заряд по¬ложительный (+) . Обычно положительный и отрицательный заряды уравновешивают друг друга, и атом является электрически нейтраль¬ным. Но у некоторых веществ часть внешних электронов имеет довольно непрочные связи с их атомами.

И если потереть два предмета друг о друга, то такие электроны могут освободить¬ся и перекочевать на другой предмет. В результате этого перемещения у одного предмета электронов становится больше, чем должно быть, и он приобретает отрица¬тельный (-) заряд. У второго предмета элек¬тронов становится меньше, так что он при¬обретает положительный (+) заряд.Заряды, формирующиеся подобным образом, назы¬вают иногда «электричеством трения», Какой из предметов приобретет положительный или отрицательный заряд, зависит от отно¬сительной легкости, с какой электроны передвигаются в поверхностных слоях двух предметов.

Если натереть шерстяной тряпкой поли¬этиленовую леску, то она получит отрица¬тельный заряд, а если натереть органическое стекло, то оно получит положительный заряд. В любом случае тряпка получит заряд, проти¬воположный заряду натертого материала. Электрические заряды влияют друг на друга.Положительный и отрицательный за¬ряды притягиваются друг к другу, а два отри¬цательных или два положительных заряда от¬талкиваются друг от друга.

Если поднести к предмету отрицательно заряженную леску, отрицательные заряды предмета переместят¬ся на другой его конец, а положительные за¬ряды, наоборот, переместятся поближе к леске. Положительные и отрицательные заряды лески и предмета притянут друг друга, и предмет прилипнет к леске. Этот процесс на¬зывается электростатической индукцией, и о предмете говорят, что он попадает в электро¬статическое поле лески.Майкл Фарадей доказал, что, электричест¬во трения и электрический ток - одно и то же. Он также доказал, что электрическое поле не может существовать внутри металлической клетки (теперь называемой клеткой Фарадея). ГРОМ И МОЛНИЯ Грозы обычно бывают летом в жаркую погоду; когда с поверхности земли горячие потоки воздуха насыщенные влагой, поднимаются вверх.

Пока капли воды и кристаллы льда кру¬жатся в воздушных потоках грозовых облаков, они заряжаются электричеством.Крошечные, положительно заряженные кристаллы льда движутся вверх, а отрицательно заряженные градинки собираются внизу облака.

Точно так же, как из-за электростатичес¬кой индукции к заряженной леске притяги¬ваются маленькие предметы, по той же при¬чине и заряженное облако притягивается к земле. Отрицательный заряд на нижней сто¬роне облака притягивается положительным зарядом на земле, и между ними возникает мощная искра (молния). Разряд молнии на¬гревает воздух и заставляет его расширяться, что сопровождается грохотом грома.

Звук переносится по воздуху гораздо медленнее, чем свет, поэтому вначале мы видим вспыш¬ку, а потом слышим гром. При трении металлы не только легко эле¬ктризуются, но и очень хорошо проводят электричество. Поэтому если металлический предмет находится в руках человека, то заряд проходит и через тело человека.Электриче¬ство, возникающее при трении, чаще встре¬чается у материалов, являющихся плохими проводниками, таких как стекло, резина, пластмасса, смола, Эти материалы называют¬ся изоляторами.

Так как электричество по ним не передается, его называют статичес¬ким электричеством. Фарадей называл его также «обыкновенным» электричеством, од¬нако в наши дни мы повсеместно используем электрический (движущийся) ток. Так что теперь скорее он стал «обыкновенным». ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД Если у вас подошва из резины или синтетиче¬ского материала, и вы прошлись по ковру, то, прикоснувшись к металлической ручке двери, вы почувствуете легкий удар током.Эта означает, что ваше тело при трении подошв о ковер успело зарядиться электричеством, Иногда человек испытывает удар током, выходя из машины и закрывая дверь.

Вероят¬ней всего, на нем шерстяная или хлопчатобу¬мажная одежда, которая наэлектризовалась от синтетического сиденья машины. Если к тому же у него подошвы из резины или син¬тетики, которые являются изоляторами, то заряд может выйти только в момент прикос¬новения к металлической ручке.Чтобы избе¬жать этого, можно попробовать дотронуться до чего-нибудь металлического еще внутри машины перед выходом.

Тогда заряд умень¬шится и неприятного удара не последует, НАСТОЯЩИЙ УДАР ТОКОМ Хотя описанные выше удары электричес¬ким током и неприятны, они, тем не менее безопасны для человека. Но электрические заряды, возникающие в результате трения, в ряде случаев могут вызвать чрезвычайные ситуации. Были случаи, когда огромные су¬пертанкеры взрывались в то время, когда их топливные цистерны промывались мощны¬ми водометами.Электрический заряд возникает при тре¬нии капель воды в струе водомета.

Этот эф¬фект сходен с эффектом от восходящего в грозовое облако воздушного потока с капель¬ками воды. В подобных условиях, несмотря на влажную среду; могут вспыхнуть искры, что грозит возгоранием паров бензина, ос¬тавшихся в цистерне. Самолеты тоже могут получить электричес¬кий заряд, если попадут в грозовое облако или при трении шасси о землю вовремя посадки.Раньше искры от скопившихся на по¬верхности самолёта электрических зарядов создавали угрозу взрыва.

Однако теперь предпринимаются необходимые меры пре¬досторожности. Например, покрышки шасси делают из электропроводящего материала. На концах крыльев самолета монтируются коронирующие (разрядные) электроды, и все электричество скапливается на концах крыльев и «распыляется». Меры безопасности необходимы и при заправке топливом, потому что трение, воз¬никающее в потоке бензина, вполне может вызвать сильный заряд. Поэтому бензонасо¬сы делаются из железа.ПРИМЕНЕНИЕ Электричество, возникающее в результате трения, или статическое электричество, ис¬пользуется человеком самым разным обра¬зом. Частицы сажи, пепла и им подобных твердых веществ вместе с дымом выбрасыва¬ются многочисленными предприятиями в воздух, а затем возвращаются в виде осадков.

Благодаря применению электростатических фильтров, устанавливаемых в трубах, при¬близительно 98% твердых веществ можно за¬держать и удалить, пока они не попали в воз¬дух. Этот процесс называется электростати¬ческим пылеулавливанием.

Ежегодно в США подобным образом предупреждается выброс в воздух 20 миллионов тонн сажи. При покраске автомобилей и воздушного транспорта пользуются специальной систе¬мой распыления. Однако при этом каждый раз испаряется до 25% краски. Этого можно избежать, сообщив распыляемым частицам электрический потенциал. Наэлектризован¬ные частицы краски начинают притягиваться к поверхности машины или самолета и луч¬ше держатся.Экономия при эффективном использовании системы распыления превы¬шает затраты на зарядное оборудование.

Та же самая техника используется и при нанесении порошковых покрытий. Наэлектризованное покрытие словно прилипает к металлу, а при нагревании поверхности по¬рошковое покрытие образует тонкий нераз¬рывный слой. Электрический заряд и порошок исполь¬зуются также в ксероксах. На линзу отражает¬ся изображение текста или рисунка, которое надо скопировать.Этот черно-белый рису¬нок переносится на бумагу как рисунок из за¬ряженных и нейтральных участков.

Когда по бумаге рассеивается черный порошок, он притягивается исключительно к заряженным участкам. Затем под действием горячего воз¬духа порошок закрепляется на бумаге. Такая техника копирования называется ксерографией. Она также используется в факсимиль¬ных аппаратах. ДВИЖУЩИЕСЯ ЗАРЯДЫ При вспышке молнии образуется огромное количество энергии. Затем следует пауза, по¬ка снова не накопится такой же сильный за¬ряд и не вспыхнет новая молния.Представьте теперь, что можно накапливать и разряжать заряды без пауз. Получится постоянный по¬ток зарядов, Таков, собственно, эффект бата¬рейки - хотя при ее работе количество энер¬гии несравнимо с молнией.

На этом же прин¬ципе построена работа генераторов на элек¬тростанциях. Если заряды движутся, их поток называ¬ют электрическим током. Для производства электрического тока необходим приток энергии.Обычно энергию получают в ре¬зультате химических реакций (как в бата¬рейках) или движения (генераторы). Кроме того, энергию можно получать непосредст¬венно от солнечного света или теплового излучения. Это делается с помощью солнеч¬ных батарей, которые снабжают электро¬энергией спутники и другое космическое оборудование.

ЖИВОТНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО У животных и человека все процессы жизне¬деятельности регулирует мозг, который полу¬чает и отсылает сигналы (нервные импульсы) по нервам. И для этого тоже требуется опре¬деленный заряд, хотя и очень небольшой.Однако некоторые животные накапливают такое количество электричества, которое способно парализовать или даже убить свою добычу.

Например, электрический угорь ге¬нерирует разряд в 600 вольт, и этого вполне достаточно, чтобы убить рыбу или очень сильно ударить током человека, НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК Приведенное ниже описание поможет вам лучше понять, что такое ток и электрическое напряжение.Итак, есть две емкости, соединенные труб¬кой, и в одну емкость наливается вода. Вода наливается до тех пор, пока ее уровень не станет одинаковым в обеих емкостях. Если одну емкость приподнять над другой, то вода из одной емкости будет перетекать в другую, пока уровни опять не станут одинаковыми.

Чем больше разница в уровнях воды в двух емкостях, тем быстрее будет литься вода. Скорость, с какой переливается вода, анало¬гична скорости движения тока. С такой ско¬ростью свободные электроны передвигаются в металлической проволоке.Разница в уровне воды сравнима с элект¬рическим напряжением. Чем выше напряжение, тем сильнее поток электрического тока. У батареек в фонариках и в портативных радиоприемниках напряжение колеблется от 1,5 до 9 вольт.

Точная величина зависит от со¬става и количества элементов в батарейке. В бытовой электросети напряжение составляет от 100 до 240 вольт, в зависимости от место¬нахождения.Источник ТОКА Первый химический источник тока был со¬здан итальянским ученым Алессандро Вольта приблизительно в 1800 году. Во время одного из экспериментов он смочил лист промока¬тельной бумаги в соленом растворе и помес¬тил его между пластинами меди и цинка.

Oн обнаружил, что при взаимодействии меди и цинка в соединяющей их проволоке образо¬вывался электрический заряд. Это означало, что в ходе химической реакции электроны перемещались с пластинки меди на цинк. Единица электрического напряжения, спо¬собствовавшего появлению тока, была назва¬но в честь ученого вольтом. Для получения электрического тока боль¬шей силы необходимо большее напряжение. Вольта сделал конструкцию из чередующихся медных и цинковых пластин.При этом каж¬дая их пара отделялась от следующей влаж¬ным кружком из картона.

Эта конструкция получила название «вольтов столб». Строго говоря, источником тока является конструкция из одной пластины каждого ме¬талла. Вольтов столб, по сути, был первой электрической батареей, сделанной руками человека. Однако в повседневной жизни мы называем "батарейками" все химические ис¬точники тока, независимо от того, состоят ли они из одного элемента или нескольких.Например, аккумулятор (12 вольт) составлен из 6 элементов по 2 вольта каждый.

Батарейка в фонарике (1,5 вольта) является единым элементом. БАТАРЕИ Существует огромное количество разных электрических батареи, но в их устройстве всегда присутствуют два фактора.Они обяза¬тельно состоят из двух разных химических элементов (например, цинка медь, уголь и медь, цинк и ртуть) и жидкости, их разделяю¬щей (в элементе Вольты это был соляной раствор). Жидкость называется электроли¬том. Иногда электролит присутствует в виде пасты, чтобы избежать протечек. Наличие разных химических элементов необходимо по той же причине, по какой при получении статического электричества путем трения используются разные материалы.

В одном материале электроны движутся с большей свободой и поэтому имеют тенден¬цию перемещаться на другой материал. В электрическом элементе две пластины и жид¬кость между ними являются проводниками электричества.Электроны, «освобожденные» во время химической реакции, могут без конца перемещаться, было бы только пространство.

Таким пространством становится элект¬рическая цепь. Поток электронов может быть остановлен при разрыве цепи. В быту эту роль выполняет выключатель. В батарейках, калькуляторах, портатив¬ных приемниках и слуховых аппаратах роль электролита выполняет влажная паста. Бата¬рейки вырабатывают электричество, пока в них идет химическая реакция. В недорогих батарейках один химический элемент представляет собой цинковую емкость, второй - угольный электрод.Со временем цинковая емкость расплавляется, поэтому наружная оболочка таких батареек плотно за¬печатывается, чтобы содержимое не вытекло и не испортило другие вещи, В долговечных щелочных батарейках те же химические эле¬менты, но другой электролит.

В маленьких круглых батарейках, используемых в часах, химические пластины сделаны из цинка и ртути или цинка и оксида серебра. Некоторые батарейки можно перезаря¬жать, пропуская ток в обратном направле¬нии. Обычно такие батарейки работают на никеле и кадмии.Элементы должны заря¬жаться только в специальном зарядном устройстве с правильным напряжением.

Никогда не стоит пытаться зарядить обыкно¬венную батарейку. В аккумуляторах автомобилей и электри¬ческого транспорта содержится жидкость, по¬этому они должны находиться только в вер¬тикальном положении. Обычно они работают на свинце и свинцовом сурике и могут пере¬заряжаться много раз. Электролит чаще всею представляет собой разбавленную серную кислоту; поэтому они обычно запечатаны.Электрические автомобили бесшумны и не загрязняют воздух (тем не менее, воздух загрязняют электростанции, снабжающие электричеством зарядные устройства). В на¬стоящее время проводятся эксперименты по производству перезаряжаемых автомобиль¬ных аккумуляторов, которые по весу были бы легче существующих. Есть вероятность, что однажды появятся аккумуляторы с пластико¬выми элементами.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ Заряженный предмет окружен электричес¬ким полем, которое действует на окружаю¬щие предметы вспомним расческу и притя¬гивающиеся к ней кусочки бумаги и пылинки.

Магнит тоже окружен магнитным полем, ко¬торое можно увидеть, если поблизости есть металлические опилки. Некоторые характе¬ристики электрического и магнитного полей похожи, другие отличаются. Вот несколько примеров. Магнитные силы гораздо сильнее элект¬рических.В то же время электрический заряд может перейти с одного тела или предмета на другой - явление, называемое индукцией и магнит распространяет свое действие на другой магнитный материал.

Но зарядиться электричеством может все, маг¬нитные же свойства передаются только телам, способным намагничиваться, таким как железо, сталь и некоторые сплавы. Электрические заряды делятся па поло¬жительные и отрицательные, магнитные полюсы делятся на южный и северный. Однородные заряды отталкиваются, противоположные притягиваются: одина¬ковые магнитные полюсы тоже отталкива¬ются, а противоположные притягиваются.Однако северный и южный полюсы никог¬да не смогут существовать отдельно друг от друга.

Если магнит сломать, то из слома образуется новый южный или новый север¬ный полюс. О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ Электричество и магнетизм тесно связаны друг с другом. Если пропустить электричес¬кий ток через скрученную проволоку, она приобретет свойства магнита. А если прово¬локу обернуть вокруг магнитного материала, то он также намагнитится. Но этому принци¬пу устроен электромагнит.Если магнитное поле проходит через витки проволоки и при этом как-то меняется (становится сильнее или слабее или сдвига¬ется), то в них возникает ток. В свою очередь, ток возвращает магнитное поле в прежнее состояние за счет создания своего магнитно¬го поля. В устройстве электромоторов и генерато¬ров используется описанное выше явление - ток создаст магнитное поле, а изменения в магнитном поле производят ток. Это явление, открытое Фарадеем, исполь¬зуется также и в трансформаторах, которые служат для преобразования напряжения в энергоснабжающих системах и в электронном оборудовании - например, телевизо¬рах и радиоприемниках.

Трансформаторы работают на переменном токе, текущем в бы¬товой электросети, В отличие от тока в бата¬рее переменный ток движется в двух направ¬лениях - вперед-назад, вперед-назад, меняя направление со скоростью 50 раз и секунду, (В США, соответственно, 60). Железный сердечник трансформатора имеет две обмотки медного провода, бегу¬щий по одной из них переменный ток созда¬ет в сердечнике быстро меняющееся магнит¬ное поле. Эго вызывает переменный ток во второй обмотке.

Таким образом, энергия передается из одной обмотки в другую, хотя между ними и нет непосредственного кон¬такта.

Их связь исключительно магнитная. Напряжение на выходе зависит от количе¬ства витком в каждой обмотке. Оно может быть больше входного напряжения или меньше.Хотя увеличение напряжения «подталкивает» заряды, их поток сокращается, то есть умень¬шается сила тока. Когда электричество переда¬ется по высоковольтным проводам, трансфор¬матор усиливает напряжение как раз, для того, чтобы уменьшить ток. Когда же электричество подводиться к домам, трансформатор снижает напряжение.

МОТОРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ В простом электрическом моторе ток намаг¬ничивает обмотку, и ее витки притягиваются к полюсам магнита. Кроме того, в моторе ус¬тановлен вращающийся переключатель, ко¬торый автоматически меняет направление тока каждые пол-оборота.Этот процесс действует и в обратном на¬правлении: поворачивается проволока - и возникает напряжение. То есть мотор стано¬вится генератором.