Какие виды энергии вы знаете? В какой последовательности они осваивались человеком?
Жизнь современного человека невозможно представить себе без использования электричества. Как изменится наша жизнь, если вдруг электричество исчезнет? Мы не сможем освещать дома и улицы привычными лампами, должны будем отказаться от использования метро, трамваев и троллейбусов, вынуждены будем забыть про компьютеры, телефоны, телевизоры и многое другое. В наши дни электрическая энергия — это самый надёжный и удобный помощник человека в быту и на производстве. Как получить электрическую энергию? Как она работает на благо человека? На эти и многие другие вопросы вы ответите при изучении этой главы.
Назовите приборы, имеющиеся у вас дома, которые используют электричество для своей работы. Подумайте, какими неэлектрическими приборами их можно заменить. Назовите сферу деятельности человека, в которой не применяется электричество.
Человек с давних времен стремился использовать силы природы, или, другими словами, её энергию. В природе существуют различные виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электрическая, световая, атомная и др. Первоначально человек освоил в основном механическую и тепловую, но по мере развития цивилизации эти виды энергии не могли уже удовлетворять все потребности общества.
В XX веке основным видом энергии, применяемой человеком, становится электрическая энергия, обладающая рядом очевидных преимуществ. С одной стороны, она относительно просто добывается, с другой — легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую). Электрическую энергию можно передавать на большие расстояния с незначительными потерями. Например, потери высоковольтных линий передачи электроэнергии не превышают 4%. При этом её легко распределять между отдельными потребителями (жилыми домами, заводами и учреждениями) и учитывать расходование с помощью счётчиков. И наконец, на месте непосредственного использования электроэнергия не создаёт загрязнения.
Электричество даёт нам тепло, свет и механическую энергию — надо только щёлкнуть выключателем. В наши дни человек уже не может обойтись без электрической энергии ни в быту, ни на производстве, ни в космосе. Она стала основой технического прогресса современного общества.
Эксплуатацией и ремонтом электрооборудования занято значительно больше рабочих, чем в любой другой производственной отрасли. Специалисты, отвечающие за работу электрических устройств (электромонтёры), должны поддерживать в исправном состоянии бесчисленное количество работающих на благо человека электрических машин — от мелких приборов до электрооборудования предприятий и гигантских систем электроснабжения.
В этой области техники трудятся опытные специалисты, обеспечивающие необходимый контроль, обслуживание и ремонт электропроводов, генераторов, двигателей, трансформаторов, систем защиты и бытовой техники. Каждый вид работ по обслуживанию электроустановок и приборов требует наличия специальной подготовки в технических училищах или лицеях, техникумах и на курсах при предприятиях.
Наука о получении, передаче и применении электрической энергии в практических целях называетсяэлектротехникой. Школьники изучают лишь её основы, тем не менее эти знания помогут не только в дальнейшем освоении электротехнических профессий, но и в повседневных бытовых ситуациях, связанных с использованием электричества. Знание электротехники необходимо и при работе в других отраслях экономики, таких как связь, радиовещание и телевидение, автоматика и телемеханика, электрометаллургия, электрохимия и др.
Каждый человек должен обладать минимумом основных навыков по электротехнике, чтобы уметь грамотно эксплуатировать электросеть, правильно выбрать новое электрооборудование для своей квартиры или офиса, выполнить мелкий ремонт проводки, бытовых приборов, электрической системы своего автомобиля и т. д. При этом он должен твёрдо знать правила электробезопасности, чтобы своими действиями не нанести вреда себе и окружающим.
Использование электрической энергии в наше время стало постоянным и привычным. Удобство и эффективность применения электроэнергии объясняется следующими причинами:
– получение электрической энергии из других видов энергии осуществляется с помощью несложных устройств;
– передача электрической энергии на большие расстояния может осуществляться быстро и экономично;
– электрическая энергия легко преобразуется в другие, нужные человеку, виды энергии (световую, тепловую, механическую, химическую).
На большинстве электростанций в качестве источника электрической энергии применяют электрогенераторы – устройства для преобразования механической энергии в электрическую (рис.1).
Рис. 1. Генераторы на электростанции
Кроме того, к источникам электрической энергии относятся гальванические элементы (батарейки) и аккумуляторы (рис. 2 и 3). У каждого такого источника энергии есть две выходные клеммы (зажимы). Одна из них обозначена знаком «+» и называется положительной, а другая – знаком «–» и называется отрицательной. Источник тока характеризуется специальной величиной – электрическим напряжением, которое существует между его клеммами и измеряется в вольтах.
Рис. 2. Гальванический элемент
Рис. 3. Аккумуляторная батарея
Устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в необходимые человеку свет, звук, тепло, механическое движение, называются потребителями. Потребители электроэнергии есть и в промышленности (рис 4), и на транспорте (рис. 5), и в быту (рис. 6).
Рис. 4. Металлорежущие станки: а – токарный по металлу;б – сверлильный; в – фрезерный
Рис. 5. Современный электротранспорт: а – электропоезд «Сапсан»; б – трёхколёсный электромобиль; в – электропоезд метро
Рис. 6. Бытовые электроприборы
Электрическая энергия от источников к потребителю передаётся при помощи потока мельчайших заряженных частиц — электрического тока. В природе обнаружено два вида зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Вокруг каждого из зарядов существует электрическое поле, за счёт которого одноимённые заряды отталкиваются друг от друга, а разноимённые притягиваются друг к другу.
Для прохождения электрического тока подходят не все материалы. Материалы, хорошо проводящие электрический ток, называютсяпроводниками. Проводниками являются металлы: медь, серебро, алюминий и т. д. Человеческое тело — хороший проводник электрического тока. Материалы, не проводящие электрический ток, называютсяизоляторамиилидиэлектриками. К изоляторам относятся резина, пластмасса, сухая древесина. Изоляторы используются для защиты от действия электрического тока.
За направление электрического тока условно принято движение положительных зарядов, которые перемещаются от положительного полюса источника тока к отрицательному по проводнику, подключённому к полюсам.
Количество зарядов (q), протекающих через поперечное сечение проводника за единицу времени, называетсясилой тока (I):
I = q/t.
Сила тока измеряется в амперах (А) — в честь французского учёного Андре Ампера.
В металлических проводниках ток образуется движением электронов, имеющих отрицательный заряд.
В газовой среде и жидкостях из-за более разреженной структуры вещества (в отличие от жёсткой кристаллической решётки металла) электрический ток образуется как за счёт электронов, так и за счёт ионов — положительных и отрицательных частиц атомов или молекул веществ.
Токназывается постоянным, если он не меняется с течением времени ни по величине, ни по направлению. Ток, у которого сила и направление периодически изменяются, называется переменным.
Практическое использование электрической энергии основано на некоторых физических явлениях, которыми сопровождается прохождение тока через проводник. Тепловое действие электрического тока широко используют в работе осветительных и электронагревательных приборов. Магнитное действие используют в измерительных приборах, электромагнитных реле, электромагнитных телефонах и громкоговорителях, электрических генераторах и двигателях.
Прохождение постоянного электрического тока через жидкие среды сопровождается химическими реакциями. Это свойство широко используется в аккумуляторах, применяется в электрометаллургии, при электрохимической обработке материалов и в опреснителях морской воды.
Электрический ток в газовой среде вызывает свечение газа. На основе этого явления работают дуговые источники света (например, в прожекторах). Электрический разряд в воздухе сопровождается не только свечением, но и повышением температуры электродов, что используют для сварки и резки металлов.
Устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии — свет, тепло, механическую и химическую энергию, — называются приёмниками или потребителями электрической энергии, а в электротехнике — нагрузкой (рис. 7).
Рис. 7. Потребители электрической энергии
Чтобы электрическое устройство (нагрузка) работало, его необходимо соединить с полюсами источника тока. На практике источник с нагрузкой часто соединяют с помощью дополнительных проводников, в быту и электротехнике называемых проводами.
То, о чем мы говорили сейчас: 1) источник электрической энергии, 2) нагрузка и 3) соединительные провода — всё это вместе называется электрической цепью.
Принципиальные и монтажные электрические схемы
Простейшая демонстрационная электрическая цепь может содержать всего три элемента: источник, нагрузку и соединительные провода. Однако реальные работающие цепи намного сложнее. Помимо основных элементов они содержат различные выключатели, рубильники, пускатели, контакторы, предохранители, реле в автоматах, электроизмерительные приборы, розетки, вилки и др. При сборке электротехнических цепей электромонтажник руководствуется принципиальной электрической схемой.
Принципиальная электрическая схема представляет собой графическое изображение электрической цепи, на котором её элементы изображаются в виде условных знаков (табл. 1).
Таблица 1. Условные обозначения элементов электрической цепи
На рисунке 8, а представлена простейшая принципиальная электрическая схема цепи, содержащая источник электрической энергии в виде батареи гальванических элементов, нагрузку в виде лампы накаливания и выключатель.
Рис. 8. Электрические схемы соединения элементов: а - принципиальная, б - монтажная
Принципиальная электрическая схема устройства является графическим документом. Условные обозначения и правила выполнения электрических схемопределяются государственным стандартом, который обязаны соблюдать все инженеры и техники.
При вычерчивании электрических схем необходимо соблюдать размеры и пропорции условных графических обозначений (рис. 9).
Рис. 9. Размеры и пропорции условных электротехнических обозначений
Линии связей между элементами схемы проводят параллельно или взаимно перпендикулярно, соблюдая условие замкнутости цепи, наклонные линии не применяются.
Принципиальная схема показывает соединение только основных элементов цепи, без комплектующей арматуры (электророзетки, вилки, ламповые патроны). Поэтому электромонтажнику необходимо иметь ещё одну схему — монтажную.
Монтажнаяэлектрическая схема отображает точное расположение элементов относительно друг друга, комплектующую арматуру и места подключения проводов. Пример монтажной схемы приведён на рисунке 8, б. По этой схеме электромонтажник видит, что все элементы электрической цепи крепятся на монтажной плате. Источником служит батарея от карманного фонарика. Монтажные провода, идущие к батарее, припаиваются непосредственно к её электродам. Малогабаритная лампочка вворачивается в ламповый патрон, закреплённый на плате. Монтажные провода крепятся к клеммам лампового патрона с помощью пайки, как и провода к выключателю. Контакты выключателя закреплены также на монтажной плате.
Это интересно
Ещё в Древней Греции было установлено, что янтарь после натирания шерстяной тканью притягивает лёгкие предметы. По-гречески слово «янтарь» звучит как «электрон». От этого слова и произошёл термин «электричество».
