Электричество

РЕФЕРАТ

ТЕМА:

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 XVIII века один из первых иссле-дователей атмосферного электричества аме-риканский ученый Бенджамин Франклин 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.