Введение

Широкое применение электрической энергии в корне изменило всю человеческую цивилизацию. Оно позволило внедрить механизацию практически во все сферы деятельности человека, автоматизировать и внедрить целый ряд технологических процессов в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту, основанных на новых принципах, ускоряющих, облегчающих и удешевляющих процесс получения окончательного продукта, а также создать комфорт в производственных и жилых помещениях.

Электрическая энергия кардинально изменила производство. Ее уникальное свойство переходить в другие виды энергии всегда считалось физической основой техники будущего и, прежде всего, электротехники и электроэнергетики, которые уже в начале XX в. стали началом научно-технической революции. И совсем уж недаром первые шаги в области электротехники были названы «колоссальной революцией».

Без электрической энергии невозможно представить нормальную жизнь современного общества. Она используется при эксплуатации абсолютно всех бытовых приборов: холодильников, стиральных машин, осветительных приборов, утюгов, микроволновых печей, компьютеров, телевизоров и т. д.

РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ ЯВЛЯЕТСЯ ОСНОВНЫМ УСЛОВИЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА, ТАК КАК ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ОБЛАДАЕТ УНИВЕРСАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

❐ Любые виды энергии (тепловая, атомная, механическая, химическая, лучистая, энергия водного потока) легко преобразуются в электрическую, и, наоборот, электрическая энергия легко может быть преобразована в какой-то другой вид энергии.

❐ Электроэнергию можно передавать практически на любое расстояние достаточно дешевым способом – посредством линий электропередач.

❐ Электроэнергия легко делится на любые части (мощность электроприемников может быть от долей ватта до тысяч киловатт).

❐ Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.

❐ Управление приборами, в которых используется электроэнергия, обычно очень простое (нажатие кнопки, выключателя и т. п.).

❐ Электроэнергию в каком-то смысле можно отнести к экологически чистой энергии, что в значительной мере способствует созданию комфортных условий на предприятиях и в быту.

❐ К числу немногих недостатков электрической энергии относится невозможность ее запасать на какой-то длительный срок.

Поэтому электрическая энергия должна быть произведена тогда и в таком количестве, когда и в каком количестве ее требует вся невероятно сложная инфраструктура целых государств.

С помощью электродвигателей различных механизмов электрическая энергия преобразуется в механическую. Кроме того, электрическую энергию широко используют в технологических установках для нагрева изделий, плавления металлов, сварки, электролиза, для получения плазмы, новых материалов с помощью электрохимии, для очистки материалов и газов и т. д. Без электроэнергии немыслима работа современных средств связи – телеграфа, телефона, радио, телевидения, компьютерной техники, Интернета. Без нее невозможно было бы развитие кибернетики, вычислительной и космической техники и т. д. Электроэнергия является сейчас практически единственным видом энергии для искусственного освещения. С электроэнергетикой напрямую связаны новые области развития техники (магнитная подушка для транспортных средств, электромагнитные насосы для перекачивания жидких металлов и т. п.).

Электричество окружает нас повсюду, и этот факт заставляет каждого человека так или иначе соприкасаться с проблемами, связанными с использованием различных электрических систем. Поэтому мы должны знать об электричестве больше, нежели просто уметь сменить пробки или вкрутить лампочку. Необходимо понимать зависимость между током, напряжением и мощностью, преимущества и недостатки переменного тока.

Немного из электротехники

Электричество стало неотъемлемым атрибутом жизни современного человека. С каждым днем множатся самые разнообразные электрические приборы и устройства, развиваются различные системы жизнеобеспечения человека, использующие электрическую энергию: системы отопления и кондиционирования воздуха, различные устройства механизации и автоматизации, системы информации и связи и т. д. Особую актуальность использование электроэнергии получило в связи с бурным развитием индивидуального строительства. Современный дом буквально опутан сетью электрических проводов и нашпигован огромным количеством самых невероятных приборов и устройств. В этих условиях понимание хотя бы элементарных процессов, которые протекают в проводах и устройствах, для индивидуального потребителя электрической энергии становится насущной необходимостью.

Электрический ток

В первую очередь стоит вспомнить, что электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Чтобы он возник, следует предварительно создать электрическое поле, под действием которого эти заряженные частицы придут в движение.

Первые сведения об электричестве, появившиеся много столетий назад, относились к электрическим «зарядам», полученным посредством трения. Уже в глубокой древности люди знали, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Но только в конце XVI в. английский врач Джильберт подробно исследовал это явление и выяснил, что точно такими же свойствами обладают и многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, он назвал наэлектризованными. Это слово образовано от греческого электрон – «янтарь». В настоящее время мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются «заряженными».

Современной теорией, объясняющей строение вещества, является электронная теория. Согласно этой теории все тела состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами, размеры которых измеряются стомиллионными долями сантиметра.

Молекула – это наименьшая частица вещества, которую можно отделить от тела и которая обладает всеми свойствами, присущими этому телу. Так, например, молекула железа обладает всеми свойствами железа, молекула воды – свойствами воды и т. д. Молекулы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц, называемых атомами. Число атомов в молекулах различных веществ и строение молекул различно.

Если молекулы какого-нибудь тела состоят из одинаковых атомов, то такое тело называется простым. Примерами простых тел могут служить медь, железо, сера, кислород, водород и т. д.

Если молекула вещества состоит из нескольких различных по своему строению атомов, то тело, состоящее из таких молекул, называется сложным. Молекулы сложных тел образуются из различных сочетаний атомов простых тел.

Молекула воды, например, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Два простых тела – водород и кислород, – взятых в определенном сочетании, образуют сложное тело – воду. Или, например, молекула серной кислоты, раствор которой используется в качестве электролита кислотных аккумуляторов, состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода.

Долгое время ученые считали атом неделимой частицей, и лишь в начале XX в. удалось определить в общих чертах внутреннее строение атома. К настоящему времени строение атома изучено довольно глубоко.

Установлено, что атом любого вещества состоит из ядра и вращающихся вокруг него по замкнутым кривым (орбитам) одной или нескольких мельчайших частиц, называемых электронами. Каждый электрон атома обладает очень малым электрическим зарядом.

Например, атом водорода состоит из ядра и вращающегося вокруг него одного электрона. Ядро атома, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы настолько уплотнены, что объем ядра во много раз меньше объема самого атома.

Ядро атома, как и электроны, обладает электрическим зарядом. Причиной этому являются протоны, входящие в состав ядра и имеющие такие же по величине электрические заряды, как и электроны. Но протоны, в противоположность электронам, малоподвижны, масса их почти в две тысячи раз больше массы электрона. Частица нейтрон, входящая в ядро атома, не имеет никакого электрического заряда, т. е. она нейтральна.

Таким образом, электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, и протоны, входящие в состав ядра, являются носителями равных по величине электрических зарядов. Установлено, что между электроном и протоном всегда действует сила взаимного притяжения, а между электронами, так же как и между протонами, – сила взаимного отталкивания.

В силу этого различия условились считать, что электрон обладает отрицательным электрическим зарядом, а протон – положительным.

Следовательно, существуют как бы два рода электричества – положительное и отрицательное, о чем люди знали задолго до открытия электрического тока, но правильно объяснить этого не могли.

Наличие в атоме разноименно заряженных частиц приводит к тому, что между положительно заряженным ядром атома и вращающимися вокруг него электронами действуют силы взаимного притяжения, скрепляющие атом в одно целое.

Чем же отличаются один от другого атомы различных веществ? Различие атомов состоит прежде всего в разном количестве протонов и нейтронов в их ядрах, в силу чего неодинаков и положительный заряд ядер атомов различных веществ. Количество вращающихся электронов у атомов различных веществ также неодинаково и определяется величиной положительного заряда ядра. Наконец, у атомов одних веществ электроны прочно связаны с ядром, в то время как у атомов других веществ эта связь значительно слабее.

В атоме любого вещества количество электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов, содержащихся в ядре. Так как электрические заряды электрона и протона равны по величине, то общий (суммарный) отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Эти заряды взаимно уравновешивают друг друга, в результате чего сам атом не имеет электрического заряда, т. е. является нейтральным.

В каждом атоме электроны составляют вокруг ядра оболочку, которую принято называть электронной оболочкой. Ядро атома вместе с окружающей его электронной оболочкой находится в непрерывном колебательном движении.

При движении атомы сталкиваются друг с другом и от них отрешаются (вылетают из электронной оболочки) один или несколько электронов. В этом случае атом перестает быть нейтральным и становится положительно заряженным, так как его положительный заряд стал больше отрицательного. Однако такое нарушение электронной оболочки происходит у атомов только тех веществ, у которых чрезвычайно слаба связь между ядром и электронами. К таким веществам относятся все металлы и уголь, в противоположность другим твердым телам, таким как дерево, стекло, эбонит, у которых связь электронов с ядром атома настолько прочна, что в обычных условиях нарушения электронных оболочек не происходит.

Оторвавшиеся от атомов электроны называются свободными электронами. Свободные электроны, беспорядочно двигаясь в междуатомном пространстве, частично захватываются другими атомами, потерявшими также в результате столкновений свои электроны. Взамен электронов, захваченных атомами, образуются новые свободные электроны.

Такой процесс появления и исчезновения свободных электронов в теле происходит непрерывно. С увеличением температуры тела скорость колебательного движения атомов возрастает, столкновения их между собой учащаются и становятся сильнее, в результате чего количество свободных электронов в теле увеличивается. Однако, несмотря на увеличение количества свободных электронов внутри тела, оно не получает электрического заряда, так как общее (суммарное) количество электронов и протонов в теле не меняется, и тело остается электрически нейтральным.

Если каким-либо образом удалить из тела некоторое количество свободных электронов, то общий (суммарный) положительный заряд его будет больше суммарного отрицательного заряда и, следовательно, тело окажется заряженным положительно. И, наоборот, если телу прибавить некоторое количество электронов, то оно получит отрицательный заряд. При этом как удаление из тела электронов, так и сообщение ему их извне совершенно не изменяет свойств тела, и оно остается точно таким, каким было до сообщения ему заряда.