• Регистрация
Роман Мнев
Роман Мнев +18.96
н/д
  • Написать
  • Подписаться

Основы электротехники, введение

Этим постом мы открываем серию публикаций, посвященных основам электротехники. Как известно сумма знаний, накопленных человечеством, весьма велика, поэтому то, что лежит за пределами нашего образования, обычного круга задач или сферы интересов, трудно изучить сколько-нибудь глубоко. Электричества это касается особенно сильно. Его нельзя увидеть или пощупать, его возможности интуитивно непонятны. В этой серии публикаций мы покажем, что электротехника на самом деле не так уж сложна, и основные законы её довольно просты. Сразу скажу, что иногда мы будем жертвовать полноту информации в пользу наглядности. Иначе говоря, в этих публикациях не будет всей академической строгости, но будет та основа, на которой академическая наука строится. Надеюсь, после этой серии публикаций в вашей жизни станет немного меньше магии, но чуть больше понимания.

Начнем. Сначала базовые понятия, своего рода аксиомы электротехники, их всего 2:

  • Заряд
  • Поле

Чаще всего под зарядом понимают точечный заряд, то есть очень маленькую частичку, чаще всего электрон. Это первое упрощение из тех, что я говорил. Носителем заряда может быть не только электрон. Но об этом мы сейчас говорить не будем. Как правило, заряд несут именно электроны.

И второе базовое понятие – электрическое поле. Что такое поле физики толком не объяснили до сих пор. Нам, как практикам, достаточно того, что это некая сущность, которая проявляется в виде силы, действующий на заряд. Итак, чтобы появилось то, что мы называем электричеством нужно всего два условия: поле, которое несет энергию, и заряд, который это поле позволяет обнаружить. Все остальные понятия так или иначе следуют из них.  

Введем теперь концепции:

  • Напряжения
  • Тока
  • Сопротивления

Напряжение.

Начнем с напряжения. Для простоты возьмем двумерные электрическое поле и начнём перемещать в нём заряд из точки А в точку Б. Поскольку поле действует на заряд с каким-то усилием, будет совершаться некоторая работа. Вот эта работа и называется электрическим напряжением. Иначе говоря, чем больше напряжение между двумя точками, тем труднее переместить между ними заряд. Как видно из определения, формы пути при этом не имеют никакого значения, то есть электрическое поле потенциально, а значит можно ввести понятие электрического потенциала. Теперь понятно, почему напряжение иногда называют разностью потенциалов.

Как это выглядит на практике. Как это строгое определение связано с привычными нам понятиями, ну хотя бы с обыкновенной розеткой на стене? Если напряжение в розетке равно 220 Вольт, это означает, что заряд в 1 Кулон, выйдя из одного контакта и дойдя до другого, совершит работу 220 Джоулей. Правда пока что нам это ничего не говорит, потому что мы не знаем сколько времени на это понадобится. 

Электрический ток.

Со временем связано другое базовое понятие – электрический ток. В электротехнике принята так называемая гидродинамическая аналогия, то есть ток воспринимается как некая жидкость, текущая по проводам, как по трубам. В каком-то смысле это так и есть. По проводам под действием поля движутся электроны, и их упорядоченное движение как раз и называется электрическим током. Чтобы оценить это явление численно, мысленно рассечем наш провод поперёк и будем считать сколько электронов пройдет через это сечение за единицу времени. Конечно, поштучно электрон никто не считает, так что оперируют их суммарным зарядом. Заряд электрона величина известная, постоянная, неизменная.

Электрический ток – это заряд, протекающий через поперечное сечение проводника за единицу времени, то есть производная от заряда по времени. Хотя на самом деле электроны движутся в сторону увеличения потенциала, то есть от минуса к плюсу, исторически принято считать, что ток течет наоборот от плюса к минусу.

Сопротивление.

Вернемся к нашему примеру с розеткой. Мы видим, что заряд в 1 Кулон проходит путь от одного контакта до другого примерно за 3 секунды. Это значит, что ток, текущий сейчас через потребителя, равен 0,3 Ампера. Теперь мы знаем, что ток – это движение электронов под действием напряжения. Самое время разобраться чем определяется его величина. Очевидно, что чем больше напряжение, тем больший заряд оно сможет привести в движение. Однако заряд движется не в вакууме и на его движение влияет среда, через которую он течёт. Для определённости рассмотрим, как это происходит в металлах, то есть проводниках.

Металлическое вещество состоит из кристаллической решетки, можно сказать, что это жестко закрепленные на своих местах ионы, и свободных электронов, которые как раз и могут двигаться, создавая электрический ток. Но только надо сказать, что это на рисунке ионы так далеко друг от друга, на самом деле они довольно близко, и электронам приходится через них “продираться как сквозь чащу леса”.

Теперь становится очевидно, что же такое сопротивление – это величина, показывающая насколько сильно вещество препятствует прохождению электрического тока. По сопротивлению вещества можно разделить на две большие группы: проводники и диэлектрики. В проводниках свободные электроны есть. Ток по ним так или иначе может течь, лучше или хуже. В диэлектриках же свободных электронов почти нет, и ток по ним течь практически не может. Есть и другие вещества, но опять же сейчас мы о них не говорим. Большая часть того, что может встретиться, покрывается этими двумя группами.

Закон Ома.

Итак, осталось только связать все три понятия. С учетом всего сказанного закон Ома становится очевидным: электрический ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению, то есть напряжение увеличивает ток, сопротивление уменьшает.

В общем-то на этом строится все электротехника, и, если не забывать закон Ома, то всё дальнейшее будет воспринимать гораздо проще. На этом вводная публикация по электротехнике завершается, а в следующей мы поговорим о более высоком уровне абстракции - электрических цепях и тех элементах, из которых они состоят.

Теги

      05.10.2021

      Комментарии