Как вырабатывается электрический ток: процесс получения электричества на разных типах электростанций

Как генерируется электричество на ТЭС, АЭС, ГЭС и других типах электростанций. Какие процессы лежат в основе выработки электроэнергии. Как устроен генератор электрического тока. Каковы основные принципы работы электростанций.

Основные способы получения электрической энергии

Электрический ток вырабатывается на электростанциях различных типов. Основными способами получения электроэнергии являются:

• Тепловые электростанции (ТЭС)
• Атомные электростанции (АЭС)
• Гидроэлектростанции (ГЭС)
• Ветроэлектростанции
• Солнечные электростанции

Рассмотрим подробнее принципы работы каждого типа электростанций и процессы получения электричества на них.

Принцип работы тепловых электростанций (ТЭС)

Тепловые электростанции являются одним из самых распространенных типов электростанций. Как они вырабатывают электрический ток?

Основные этапы выработки электроэнергии на ТЭС:

1. Сжигание топлива (угля, газа, мазута) в котле
2. Нагрев воды и получение пара высокого давления
3. Вращение паровой турбины потоком пара
4. Вращение ротора электрогенератора, соединенного с турбиной
5. Выработка электрического тока в обмотках генератора

Таким образом, на ТЭС происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую, затем в механическую энергию вращения турбины и, наконец, в электрическую энергию в генераторе.

Особенности производства электроэнергии на АЭС

Атомные электростанции во многом схожи по принципу работы с ТЭС, но имеют ряд важных отличий. Как вырабатывается электричество на АЭС?

Ключевые этапы получения электроэнергии на атомной станции:

1. Ядерная реакция деления в активной зоне реактора
2. Нагрев теплоносителя (воды) за счет энергии ядерной реакции
3. Образование пара в парогенераторе
4. Вращение турбины паром
5. Выработка электрического тока в генераторе

Главное отличие АЭС от ТЭС — использование ядерной энергии вместо сжигания органического топлива. Это позволяет получать огромное количество энергии при минимальном расходе топлива.

Принцип работы гидроэлектростанций (ГЭС)

Гидроэлектростанции используют энергию падающей воды для выработки электричества. Как происходит этот процесс?

Основные этапы получения электроэнергии на ГЭС:

1. Создание напора воды с помощью плотины
2. Подача воды на лопасти гидротурбины
3. Вращение ротора турбины под напором воды
4. Передача вращения на вал генератора
5. Выработка электрического тока в обмотках генератора

На ГЭС происходит преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращения турбины, а затем в электрическую энергию. Это экологически чистый способ получения электричества.

Получение электроэнергии на ветроэлектростанциях

Ветроэлектростанции преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Как это происходит?

Этапы выработки электричества на ветроэлектростанции:

1. Вращение лопастей ветроколеса под действием ветра
2. Передача вращения на вал генератора через мультипликатор
3. Выработка переменного тока в обмотках генератора
4. Преобразование тока в постоянный с помощью выпрямителя
5. Инвертирование тока обратно в переменный стандартной частоты

Ветроэлектростанции позволяют получать экологически чистую энергию, но их мощность зависит от силы и постоянства ветра в регионе.

Принцип работы солнечных электростанций

Солнечные электростанции преобразуют энергию солнечного излучения напрямую в электрическую энергию. Как это происходит?

Основные этапы выработки электричества на солнечной электростанции:

1. Поглощение солнечного излучения фотоэлементами
2. Возникновение фотоэлектрического эффекта в полупроводниках
3. Генерация постоянного электрического тока
4. Преобразование постоянного тока в переменный с помощью инвертора
5. Передача электроэнергии в сеть

Солнечные электростанции не имеют движущихся частей и вырабатывают энергию без вредных выбросов, но их эффективность зависит от интенсивности солнечного излучения.

Устройство и принцип работы электрогенератора

Электрогенератор является ключевым элементом большинства электростанций. Как он устроен и как вырабатывает электрический ток?

Основные компоненты электрогенератора:

• Статор с обмотками
• Ротор с постоянными магнитами или электромагнитами
• Система охлаждения
• Подшипники
• Щеточно-контактный аппарат (для некоторых типов)

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. При вращении ротора в обмотках статора наводится переменная ЭДС, которая создает переменный электрический ток.

Преимущества и недостатки различных способов получения электроэнергии

Каждый способ выработки электричества имеет свои плюсы и минусы. Рассмотрим основные из них:

Тепловые электростанции (ТЭС)

Преимущества ТЭС:

• Относительно низкая стоимость строительства
• Возможность работы в любых климатических условиях
• Высокая маневренность (быстрый набор и сброс мощности)

Недостатки ТЭС:

• Высокий уровень выбросов парниковых газов
• Зависимость от поставок топлива
• Тепловое загрязнение окружающей среды

Атомные электростанции (АЭС)

Преимущества АЭС:

• Высокая мощность и стабильность работы
• Низкая себестоимость электроэнергии
• Минимальные выбросы парниковых газов

Недостатки АЭС:

• Высокая стоимость строительства
• Проблема утилизации радиоактивных отходов
• Потенциальная опасность при авариях

Гидроэлектростанции (ГЭС)

Преимущества ГЭС:

• Использование возобновляемого источника энергии
• Низкая себестоимость электроэнергии
• Возможность регулирования речного стока

Недостатки ГЭС:

• Затопление больших территорий при строительстве
• Влияние на экосистему реки
• Зависимость от водности года

Перспективы развития альтернативной энергетики

Альтернативная энергетика активно развивается во всем мире. Каковы ее перспективы?

Основные направления развития альтернативной энергетики:

• Совершенствование технологий солнечной энергетики
• Развитие оффшорной ветроэнергетики
• Использование энергии приливов и волн
• Разработка более эффективных систем хранения энергии
• Создание «умных» энергосетей

Ожидается, что доля возобновляемых источников энергии в мировом энергобалансе будет постоянно расти, что позволит снизить зависимость от ископаемого топлива и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.

КАК ПОЛУЧАЮТ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Верходанов И.А. 1

---

1

Литвиновская Н.Ю. 1

---

1

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Электричество имеет большое значение в нашей жизни. Почти все, что нас окружает, работает на электричестве. Например, бытовая техника у нас дома: телевизоры, стиральные машины, холодильники, компьютеры, лампочки для освещения. На улице за счет электрического тока ездят троллейбусы, трамваи, электрички, и, даже машины, используют электричество для управления и освещения дороги фарами.

На заводах на электричестве работают станки, печи и другие сложные механизмы.

Так откуда же берется электричество, которое поступает к нам в дом по проводам?

В своей работе я изучу, как вырабатывается электричество на электростанциях: ТЭЦ, АЭС, гидроэлектростанция, ветроэлектростанция. Как по электрическим проводам, закрепленным на специальных опорах, электричество направляется в город, затем в каждый дом, в каждую квартиру.

В экспериментальной части докажу, как «маленький» генератор вырабатывает ток, которого будет достаточно для освещения домика.

Тема «Как получают электричество» мне особенно интересна, потому что, чтобы изготовить макеты, надо паять настоящие схемы.

Цель исследования: изучение возникновения электричества.

Задачи исследования:

1. Изучить, как появляется электричество за счет преобразования энергии воды, ветра, солнца и газа.

2. Понять, как устроен генератор, который вырабатывает электричество.

3. Рассмотреть, как устроена батарейка (переносной источник энергии).

4. Провести эксперименты: подключить игрушечный домик к генератору, который будет вырабатывать электрический ток, чтобы включить в домике освещение. Затем, таким же образом включить вентилятор.

5. Изготовить самодельную батарейку из соленой воды и металлических пластинок.

Содержание работы:

Первое, что необходимо сделать: проанализировать учебную литературу. Из нее я узнал следующее: Электричество вырабатывается на электростанциях, затем по электрическим проводам, закрепленным на специальных опорах, направляется в город, затем в каждый дом, в каждую квартиру.

Электростанции

Электричество вырабатывается на электростанциях за счет преобразования энергии воды, ветра, солнца и газа в электрическую энергию (рис.1).

а б

в г

Рис.1 Электростанции: а – теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), б — атомная электростанция, в – гидроэлектростанция, г – ветроэлектростанции.

Теплоэлектроцентраль (рис.1а), одна из самых распространенных станций, дает городу не только электричество, но и тепло для отопления домов зимой. Таких станций построено очень много. Как она работает? В большой печке сжигают газ, тот самый газ, на котором мы готовим еду в кухне, см. схему на рис.2. Газ нагревает котел с водой. Вода, нагреваясь, превращается в пар. Пар вращает турбину, а она в свою очередь вращает генератор, который и вырабатывает электрический ток. Электричество по линиям электропередачи направляется к нам в город. Дым от сгоревшего газа выходит в трубу, а пар охлаждаясь в градирне, превращаясь обратно в воду, возвращается в котел. Зимой эта горячая вода направляется в наши дома, для отопления квартир. Теперь мы видим, что механическая энергия вращения, превращается в электрическую энергию, в генераторе . [1, 4]

Рис.2. Схема работы ТЭЦ

Атомная электростанция (АЭС) сложнее предыдущей электростанции, см. рис.1б. Их меньше у нас в стране. Все дело в том, что в них не сжигают газ, а используют тепло от ядерной реакции (рис. 3). Получение такой ядерной энергии очень сложный процесс. На АЭС внутри реактора циркулирует обычная вода, очищенная от всех примесей. Реактор запускается, когда из его активной зоны извлекаются стержни, поглощающие нейтроны. Во время цепной реакции высвобождается большая тепловая энергия. Вода, циркулируя через активную зону, омывая топливные элементы, нагревается до 320 ⁰С. Проходя внутри теплообменных трубок парогенератора, вода первого контура отдает тепло воде второго контура, не соприкасаясь с ней, что исключает попадание радиоактивных веществ за пределы реакторного зала. В остальном схема точно такая же, как и предыдущая. Вода второго контура превращается в пар. Пар с бешеной скоростью вращает турбину, а турбина приводит в движение электрогенератор, который вырабатывает электрический ток. Электричество по линиям электропередачи направляется к нам в город [1, 4].

Рис. 3 Схема работы АЭС

Гидроэлектростанция есть у нас в Перми (рис.1-в). В таких электростанциях используют энергию падающей воды. Для этого — строят поперек реки плотину. С ее высоты вода падает вниз и вращает турбину, а турбина вращает генератор, который вырабатывает электричество. Схема работы гидроэлектростанции показана на рис.4 [1, 4].

Рис. 4 Схема работы гидроэлектростанции

Ветроэлектростанции используют энергию ветра (рис.1-г). Такие электростанции не очень мощные. Ветер вращает лопасти вентилятора, похожие на лопасти самолета, только очень большие. А они уже вращают генератор (рис.5) [4].

Рис. 5 Схема работы ветроэлектростанции

Есть и другие электростанции, в которых ничего не вращается, и в них нет генератора. Это солнечные электростанции [4]. Энергия солнечного света преобразуется в электрическую в солнечных панелях, изготовленных из специального материала, который под воздействием солнечной энергии начинает вырабатывать электрический ток (рис.6).

Рис. 6 Схема работы солнечной электростанции

Устройство генератора

Так как же устроен генератор, который вырабатывает электричество?

Все мы знаем, что такое магнит, любой с ним сталкивался и играл. Магнит притягивает к себе металлические предметы. Магниты бывают разные: большие и маленькие, сильные и слабые [1].

Если в магнитное поле поместить рамку, сделанную из электрического провода, закрепить ее так, чтобы можно было вращать за ручку, то получится простейший генератор [1, 3]. Если вращать рамку, в ней возникнет электрический ток. И, если ток будет достаточно мощный, то им можно будет зажечь электрическую лампочку (рис.7). В настоящих генераторах используют вместо рамки очень длинный провод, намотанный на специальные катушки и за счет этого, генераторы получаются очень мощные.

Рис.7 Схема устройства генератора

Но что будет, если к генератору подвести электрический ток?

Если к генератору подвести электрический ток, то рамка начнет сама вращаться, то есть произойдет обратный эффект (рис. 8). Такие устройства называются электродвигатели [1, 3]. Они так же бываю большими и маленькими, мощными и слабыми.

Рис.8 Схема устройства двигателя

Что делать, если источник энергии нужен переносной, а не связанный с розеткой проводами? Для этого существуют, всем нам знакомые, батарейки.

Батарейки

Батарейка — это, емкость в которой происходит химическая реакция. Самая простая батарейка состоит из цинкового стаканчика, графитового стержня и электролита между ними (рис.9).

Рис.9 Устройство батарейки

В процессе использования батарейки, химическая реакция разрушает ее изнутри и батарейка «садится», то есть разряжается. Чем больше мы нагружаем батарейку, тем сильнее химическая реакция и тем быстрее она разрядится [1, 2].

Самую простую батарейку можно изготовить дома [2]. Для этого необходимо взять два разных «металла»: гвоздик и монетка — это будут электроды (рис.10), а в качестве электролита можно использовать лимон.

Рис.10 Самодельная батарейка

Но надо учесть, что такая батарейка будет очень слабая и ее не хватит даже для того, чтобы загорелась лампочка. То, что электричество появилось, мы видим только на приборе, который называется вольтметр.

Еще самодельную батарейку можно изготовить из соленой воды и металлических пластинок (рис.11). Ее устройство очень простое. Имеется три баночки, наполненные простой соленой водой. В каждую из них опускаем по два электрода, изготовленных из металлических пластинок. Одна пластинка покрыта медью, а вторая — цинком.

Рис. 11 Самодельная батарейка

Вот такую батарейку я и продемонстрирую в экспериментальной части моей работы. А также проведу другие эксперименты: подключу игрушечный домик к генератору, который будет вырабатывать электрический ток, чтобы включить в домике освещение. И докажу следующее: механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, в генераторе.

Экспериментальная часть:

В первом эксперименте я подключу игрушечный домик к маленькой электростанции (рис.12). Буду вращать ручку, и маленький генератор будет вырабатывать ток, которого хватит, чтобы в домике заработало освещение.

Материалы для изготовления макета: картон, деревянные фанерки размером 90х170 мм, 70х165 мм, розетка, механизм от фонарика, провода, вилка, лампочки (5 шт.), клей.

Рис. 12 Первый эксперимент

Во втором эксперименте я подключу к электростанции вентилятор (рис. 13). Мы увидим, как механическая энергии вращения в генераторе, преобразуется в электрическую, бежит по проводам к вентилятору, и в его двигателе, преобразуется обратно в энергию вращения.

Материалы для изготовления макета: картон, деревянные фанерки размером 95х210 мм, 70х165 мм, розетка, провода, вилка, клей, вентилятор, электродвигатель.

Рис.13 Второй эксперимент

В третьем эксперименте я подключу к батарейкам, по-очереди, все тот же домик и вентилятор (рис.14-а,-б).

Материалы для изготовления макета: картон, деревянные фанерки размером 95х210 мм, 70х165 мм, 90х170 мм, розетка, провода, вилка, клей, вентилятор, электродвигатель, лампочки (5 шт.), батарейки.

а б

Рис.14 Третий эксперимент

В следующем – четвертом эксперименте я продемонстрирую самодельную батарейку (рис. 15-а). Берем баночки заполненные соленой водой. В каждую из них опускаем по два электрода, изготовленные из металлических пластинок. Одна пластинка покрыта медью, а вторая цинком.

Материалы для изготовления макета: картон Ø 20 мм, часовой механизм, лампочка (1 шт.), провода, три баночки с соленой водой, деревянная фанерка 75х330 мм для основания, медные и цинковые пластинки длиной 75 мм, клей.

а б

Рис.15 Четвертый эксперимент

Энергии этих трех батареек хватило, чтобы загорелась лампочка и пошли часы (рис.15-б).

Выводы

В своей работе я рассмотрел, как работают: ТЭЦ, АЭС, гидроэлектростанция, ветроэлектростанция. Схема работы ТЭЦ и АЭС в целом похожи: нагревается котел с водой, вода превращается в пар. Пар вращает турбину, а турбина вращает генератор, который и вырабатывает электрический ток. Электричество по линиям электропередачи направляется к нам в город. В одном случае сжигают газ, а, во втором — используют тепло от ядерной реакции. В гидроэлектростанциях используют энергию падающей воды для вращения турбины, а турбина вращает генератор, который вырабатывает электричество. В ветроэлектростанциях ветер вращает лопасти вентилятора, а они уже вращают генератор.

Во всех электростанциях реализуется следующее: механическая энергия вращения превращается в электрическую энергию, в генераторе. Но есть и другие электростанции, в которых ничего не вращается, и, в них нет генератора. Это — солнечные батареи. Они изготовлены из специального материала, и, под воздействием солнца вырабатывают электрический ток.

Далее в работе я рассмотрел устройство батарейки — переносного источника энергии. И как можно самую простую батарейку изготовить дома.

В практической части я провел несколько экспериментов. В первом эксперименте подключил игрушечный домик к «маленькой электростанции». «Маленький» генератор вырабатывает ток, которого достаточно для включения в доме электричества. Во втором — подключил к электростанции вентилятор. Механическая энергия вращения в генераторе, преобразуется в электрическую, бежит по проводам к вентилятору, и в его двигателе, преобразуется обратно в энергию вращения. В третьем эксперименте я подключил к батарейкам, по очереди, все тот же домик и вентилятор. В четвертом эксперименте я продемонстрировал самодельную батарейку. В каждую из трех баночек с соленой водой опустил по два электрода, изготовленные из металлических пластинок из меди и цинка.

В проведенных двух экспериментах, я подтвердил и наглядно продемонстрировал следующее: механическая энергия вращения в генераторе, преобразуется в электрическую. А также изготовил самодельную батарейку, энергии которой хватило, чтобы загорелась лампочка и пошли часы.

Но, у меня остались вопросы, на которые мне предстоит найти ответы:

Как протекает ядерная реакция? Какие АЭС есть у нас в стране? А еще мне интересно почему произошла авария в Чернобыле.

О, сколько нам открытий чудных

Готовит просвещенья дух,

И опыт – сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг.

А.С. Пушкин

Список литературы

1 Ю.И. Дик, В. А. Ильин, Д.А. Исаев и др. /Физика: Большой справочник для школьников и поступающих в вузы / Издательство «Дрофа», 2000 год.

2 «Энциклопедия для детей от А до Я» / Издательство «Махаон», Москва, 2010.

3 А.А. Бахметьев/ Электронный конструктор «Знаток»/ Практические занятия по физике. 8, 9, 10, 11 классы.// Москва, 2005 год.

4 Получение и использование электрической энергии: [электронный ресурс] // Мир знаний. URL: http://mirznanii.com/info/id-9244

Просмотров работы: 13847

Основы электричества | Logistics Operational Guide

Электрический ток представляет собой поток электрического заряда в цепи —  поток свободных электронов между двумя точками в проводнике. Эти свободные электроны в движении составляют электрическую энергию. Производство электроэнергии состоит в том, чтобы заставить электроны двигаться вместе в проводящем материале, создавая дефицит электронов с одной стороны проводника и избыток с другой.

Устройство, создающее такой дисбаланс, называется генератором. Клемма на стороне избытка обозначается «+», а на стороне дефицита «–».

Когда к клеммам генератора подключается нагрузка, генератор выталкивает электроны: он поглощает положительно заряженные частицы и отправляет обратно отрицательно заряженные частицы. В цепи электроны циркулируют от «–» к «+» клеммы.

Чтобы иметь возможность правильно и безопасно использовать электрическое оборудование, важно понимать принцип работы электричества.  Критически важно понимать три основных компонента, необходимых для управления и использования электричества — напряжение, ток и сопротивление — и то, как эти три элемента соотносятся друг с другом.

Электрический заряд

Электричество — это движение электронов. Электроны создают заряд, который используется для производства энергии. Любой электрический прибор — лампа накаливания, телефон, холодильник — все они используют движение электронов для работы. Три основных принципа, изложенных в данном руководстве, можно объяснить, используя электроны, или более конкретно, заряд, который они создают:

• Напряжение — разница в заряде между двумя точками.
• Ток (в амперах) — скорость, с которой течет любой отдельно взятый заряд.
• Сопротивление — склонность материала сопротивляться потоку заряда (тока).

Эти значения описывают движение заряда и, соответственно, поведение электронов.

Цепь — это замкнутый контур, который позволяет заряду перемещаться из одного места в другое. Компоненты в цепи позволяют управлять этим зарядом и использовать его для выполнения работы.

Электрические измерения

• Мощность — энергия, потребляемая нагрузкой.
• Энергия — количество электроэнергии, потребленной или произведенной в течение определенного периода времени.

Разность электрических потенциалов (напряжение)

Напряжение (U) определяется как количество потенциальной энергии между двумя точками цепи. Эта разница в заряде между полюсами «+» и «–» в генераторе измеряется в вольтах и обозначается буквой «В». Иногда напряжение можно назвать «электрическим давлением»: это подходящая аналогия, потому что сила, обеспечиваемая разностью электрических потенциалов для электронов, проходящих через проводящий материал, можно сравнить с давлением воды, когда она движется по трубе. Чем выше значение в вольтах, тем больше «давление воды».

Доступная энергия свободных электронов в движении — это то, что составляет электрическую энергию. Производство электроэнергии состоит в том, чтобы побудить электроны двигаться вместе через проводящий материал, создавая электронный дефицит на одной стороне проводника и избыток на другой. Клемма на стороне избытка обозначается «+», а на стороне дефицита «–».

Напряжение определяется распределительной сетью.  Например, 220 В между клеммами большинства электрических розеток или 1,5 В между клеммами аккумуляторной батареи. 

Электрический ток

Электрический ток (I) — это поток свободных электронов между двумя точками в проводнике. Когда электроны движутся, количество заряда движется вместе с ними; это называется током. Количество электронов, способных перемещаться через данное вещество, зависит от физических свойств самого вещества, проводящего электричество, при этом некоторые материалы пропускают ток лучше, чем другие. Электрический ток (I) выражается и измеряется в амперах (A) в качестве базовой единицы электрического тока. Как правило, при работе с электрооборудованием или установками ток обычно указывается в амперах. Если вольты (V) можно сравнить с давлением воды, проходящей через трубу, то амперы (A) можно сравнить с общим объемом воды, способным протекать через трубу в любой момент времени.

Движение свободных электронов обычно является случайным, что не приводит к общему движению заряда. Если сила действует на электроны, чтобы переместить их в определенном направлении, то все они будут двигаться в одном направлении.

Диаграмма: Свободные электроны в проводящем материале с приложением тока и без него.

Потенциальная разница не применяется				Потенциальная разница
Свободные электроны				Свободные электроны

Когда лампа накаливания подключена к генератору, определенное количество электронов проходит

через провода (нить накала) лампы. Этот поток электронов соответствует току (I) и измеряется в амперах (A).

Ток является функцией: Мощность (P), напряжение (В) и сопротивление (R).

 

I = U / R

 

Сопротивление

Иногда электроны удерживаются в соответствующих молекулярных структурах, а иногда они могут перемещаться относительно свободно.  Сопротивление объекта — это склонность данного объекта противостоять потоку электрического тока. С точки зрения электричества, сопротивление проводящего материала является мерой того, как устройство или материал уменьшает электрический ток, протекающий через него. Каждый материал имеет определенную степень сопротивления; оно может быть очень низким — например, медь (1–2 Ом на 1 метр) — или очень высоким — например, дерево (10 000 000 Ом на 1 метр). По аналогии с водой, текущей по трубе: сопротивление больше, когда труба более узкая, что уменьшает поток воды.

В двух цепях с одинаковыми напряжениями и разными сопротивлениями цепь с более высоким сопротивлением пропускает меньше заряда, а это означает, что через цепь с более высоким сопротивлением протекает меньший ток.

Меньшее сопротивление				Большее сопротивление

Сопротивление (R) выражается в Омах. Ом определяет единицу сопротивления «1 Ом» как сопротивление между двумя точками в проводнике, где приложение 1 вольта будет «толкать» 1 ампер. Это значение обычно представлено в схемах греческой буквой «Ω», которая называется омега, и произносится как «ом».

Для определенного напряжения ток пропорционален сопротивлению. Эта пропорциональность, выраженная как математическое соотношение, известна как закон Ома:

 

U = I × R

 

Напряжение = Ток × Сопротивление

 

При постоянном напряжении увеличение сопротивления приведет к уменьшению тока. И наоборот, ток будет увеличиваться при снижении сопротивления. При постоянном сопротивлении, если напряжение увеличивается, то увеличивается и ток. Закон Ома действителен только для чистого сопротивления, т. е. для устройств, преобразующих электрическую энергию в чисто тепловую. С двигателями, например, дело обстоит иначе.

Электрические устройства могут иметь специальные резисторы, которые ограничивают ток, протекающий через компонент, чтобы этот компонент не был поврежден.

Сопротивление определяется нагрузкой. Например, проволочные проводники с большим поперечным сечением обеспечивают меньшее сопротивление току, что приводит к меньшим потерям напряжения. И наоборот, сопротивление прямо пропорционально длине провода. Чтобы свести к минимуму потери напряжения, для тока необходим как можно более короткий провод с большим поперечным сечением (см. раздел Кабели). Обратите внимание, что тип провода (медь, железо и т. д.) также влияет на сопротивление кабеля.

Когда сопротивление в электрической цепи близко к нулю, ток может стать чрезвычайно большим, что иногда приводит к так называемому короткому замыканию. Короткое замыкание вызовет перегрузку по току в электрической цепи и может привести к повреждению цепи или устройства.

Мощность

Электрическая мощность (P) — это объем работы, выполняемой электрическим током за единицу времени. Она представляет собой количество энергии, потребляемой устройством, подключенным к цепи. Электрическая мощность рассчитывается путем умножения напряжения на ток и выражается в ваттах (Вт).

 

P = U × I

 

Мощность = Напряжение × Ток

 

Чем мощнее нагрузка, тем больший ток она потребляет. Данный расчет полезен при анализе энергопотребления.

Сравнение мощности и энергии
МОЩНОСТЬ	Ватты Киловатты		«аналогично скорости потока воды»
ЭНЕРГИЯ	Ватт-часы Киловатт-часы		«аналогично воде, попадающей в ведро»

Мощность определяется нагрузкой.

Пример:	Лампа накаливания 40 Вт, подключенная к розетке 220 В, потребляет ток 40/220 = 0,18 А. Лампа накаливания 60 Вт, подключенная к розетке 220 В, потребляет ток 60/220= 0,427 А.

Энергопотребление

Энергопотребление — это количество электроэнергии, произведенной или потребленной в течение определенного периода времени. Рассчитывается путем умножения мощности устройства на продолжительность его использования, выраженную в киловатт-часах (кВт·ч).

Пример:	Светильник мощностью 60 Вт, который остается включенным в течение 3-х часов, потребляет 180 Вт·ч, или 0,18 кВт·ч.

Это единица потребления, которая суммируется на счетчике электроэнергии для определения любого счета за электроэнергию.     

Электрическую энергию часто путают с электрической мощностью, но это два разных понятия:

• Мощность измеряет способность поставлять электроэнергию
• Энергия измеряет общее количество произведенного электричества

Электрическая энергия измеряется в ватт-часах (Вт·ч), но большинство людей более знакомы единицы, указанных в их счетах за электричество, — киловатт-часы (1 кВт·ч = 1000 ватт-часов). Электроэнергетические предприятия работают в более широком масштабе и обычно используют мегаватт-часы (1 МВт·ч = 1000 кВт·ч).

Свойства

В зависимости от природы элементов, через которые он проходит, электрический ток может иметь несколько физических свойств:

Свойство	Описание	Примеры применения
Тепловой эффект	При прохождении тока через материал с электрическим удельным сопротивлением электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию.	Освещение, электрообогрев.
Химическое воздействие	Когда ток пропускается между двумя электродами в ионном растворе, он вызывает обмен электронами и, соответственно, материей между двумя электродами. Это называется электролизом: ток вызвал химическую реакцию. Эффект может быть и обратным: при проведении электролиза в контейнере химическая реакция может создавать электрический ток.	Ток создает химическую реакцию: очистка металла, нанесение гальванических покрытий. Химическая реакция создает ток: аккумуляторные батареи, аккумуляторные ячейки.
Магнитный эффект	Электрический ток, проходящий через медный стержень, создает магнитное поле. Эффект может быть и обратными: при механическом вращении электродвигателя вырабатывается ток.	Ток создает магнитное поле: электродвигатели, трансформаторы, электромагниты. Магнитное поле производит ток: электрические генераторы, велосипедные динамо-машины.
Фотоэлектрический эффект	Когда свет или другая лучевая энергия сталкивает два разнородных материала в тесном контакте, то производится электрическое напряжение.	Солнечный элемент для производства электроэнергии.

Адаптировано на основе данных MSF

Как работает электричество? [Концепции и практическое использование]

Электричество повсюду. Еще до появления современных технологий протоны, нейтроны и электроны взаимодействовали в природе, создавая электрическую энергию. Грозы — прекрасные примеры этого процесса.

Мы стали настолько зависимы от электроэнергии, что наш мир остановится, если поток электричества прекратится. Это неудивительно, учитывая, что большинству вещей, которые делают нашу жизнь более комфортной и удобной, для работы требуется источник энергии. Наша электроника, бытовая техника, свет в нашем доме — все работает на электричестве.

Давайте изучим процесс, чтобы выяснить, как эти протоны, нейтроны и электроны объединяются, чтобы сформировать электрический ток, который мы можем использовать для наших домов и бизнеса.

Что такое электричество?

Проще говоря, электричество — это поток электрического заряда, и этот поток называется током. Он считается вторичным источником энергии, а это означает, что для его производства требуется другой поставщик энергии. Некоторыми из этих поставщиков являются уголь, нефть и природный газ, которые классифицируются как первичные источники энергии.

Чтобы генерировать электрическую энергию, электронам необходимо пройти через объект, называемый проводником. Такие металлы, как медь или алюминий, являются хорошими проводниками, позволяя электронам быстро проходить через них. Окружение проводников изолятором (или материалами, через которые электричество не может свободно течь) заставляет электроны двигаться только в одном направлении. Управляя направлением движения электронов, их можно использовать для питания чего угодно, от лампочки до электромобиля.

Этот источник энергии может принимать две формы, и, изучив их, мы приблизимся к пониманию того, как работает электричество. Два типа электричества

Этот источник энергии может принимать две формы, и, изучив их, мы приблизимся к пониманию того, как работает электричество.

Статическое электричество

Статическое электричество возникает, когда электрические заряды накапливаются внутри или на поверхности материала. Обычно это вызвано трением, например, при трении двух разных материалов. Прежде чем они начнут тереться друг о друга, два материала будут иметь нейтральный электрический заряд. Это означает, что они имеют равное количество положительно заряженных и отрицательно заряженных субатомных частиц.

Субатомная частица с положительным зарядом называется протоном, а частица с отрицательным зарядом называется электроном.

После применения трения между двумя материалами один объект теряет электроны и становится более положительно заряженным, а другой получает электроны и становится более отрицательно заряженным.

Из-за накопления статического электричества материалы могут прилипать друг к другу, а в некоторых случаях искры могут даже перескакивать с одного на другой. Электрический заряд сохраняется до тех пор, пока он не будет высвобожден либо электрическим, либо статическим разрядом, либо электрическим током.

Одним из классических примеров статического разряда является молния, возникающая из-за накопления статического электричества внутри грозового облака.

Вспышка молнии обладает большой силой. Если его задействовать, в типичной вспышке достаточно энергии, чтобы лампочка горела около трех месяцев.

Электричество тока

Если накопление электрического заряда вызывает статическое электричество, то электричество возникает из-за потока электронов. В то время как электрические заряды накапливаются и остаются в покое в статическом электричестве, заряды постоянно находятся в движении с электрическим током.

Термин «токовое электричество» точно описывает способ движения электронов. Отрицательно заряженные электроны текут по проводнику в одном направлении, подобно речному течению. В реке скорость движения воды из одного места в другое называется скоростью течения. Между тем, с электричеством ток измеряет количество электрического заряда, который передается в течение определенного периода времени через электрическое поле. Проводник, по которому электроны перемещаются от атома к атому, обычно имеет форму проволоки.

Одним из результатов прохождения тока является нагрев проводника, который становится источником энергии. Прекрасным примером этого процесса является нагрев печи под действием электрического тока.

Движение электричества

Чтобы понять, как работает электричество, нам сначала нужно понять, как оно движется. Все начинается с атомов, которые являются строительными блоками Вселенной. Это означает, что все вокруг нас, включая электричество, состоит из этих крошечных объектов.

Атомы — наименьшая часть материи, но они все же разбиты на три меньшие части: электроны, протоны и нейтроны. Электроны содержат отрицательный заряд; протоны имеют положительный заряд, а нейтроны содержат нейтральный заряд.

Электроны в ближайшей к ядру оболочке сильно притягиваются к протонам. Но иногда те, кто находится в самых внешних оболочках, не обладают таким сильным притяжением. В результате эти электроны могут быть вытолкнуты с орбиты. Приложение внешней силы может заставить указанные электроны перемещаться от атома к атому. Этот поток электронов от одного атома к другому называется электрическим током.

Что такое электрические цепи?

Электричество течет по замкнутому контуру, называемому электрической цепью. Он должен иметь полный путь, по которому могут двигаться электроны. Кнопка включения-выключения или переключатель электронных устройств размыкает или замыкает цепь. Включение переключателя открывает цепь, а его выключение замыкает петлю и создает путь, по которому может проходить электричество.

Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, давайте взглянем на выключатель света. В выключенном положении электрическая цепь разомкнута, поэтому ток не течет. Нажатие его во включенное положение позволяет току проходить по проводу в лампочке. В результате провод нагревается, что заставляет лампочку светиться.

Так работает электричество.

Постоянный ток

В этой форме тока поток электронов является однонаправленным, или они движутся только в одном конкретном направлении. Количество электрического тока может меняться, но оно всегда будет двигаться линейно.

Одним из типичных производителей постоянного тока (DC) является батарея, в которой электроны перемещаются от отрицательной клеммы батареи к положительной. Другими примерами источников энергии, генерирующих постоянный ток, являются солнечные элементы и топливные элементы.

Питание постоянного тока более стабильно, когда речь идет о подаче напряжения. Например, если источник питания постоянного тока вырабатывает 1,5 вольта электричества, он всегда будет производить 1,5 вольта. Батареи могут терять мощность со временем, но напряжение, которое они обеспечивают, остается неизменным до тех пор, пока они полностью не разрядятся.

Что касается приложений, постоянный ток используется во всех электрических устройствах, работающих от аккумуляторов.

Переменный ток

Если мощность постоянного тока движется только в одном направлении, то с переменным током (AC) электроны движутся вперед и назад, при этом поток электронов меняет направление несколько раз в секунду. В США электрический ток чередуется или меняет направление с частотой 60 герц, или 60 раз в секунду.

Переменный ток — это форма электрического тока, производимая большинством электростанций и распределяемая энергетическими компаниями. Это тип электричества, используемый в домах и на предприятиях, при этом электрический ток поступает из розеток и подается из коммунальной сети.

Одним из самых больших преимуществ переменного тока является то, что изменить его напряжение относительно легко. Электроэнергия, вырабатываемая электростанциями, имеет опасно высокое напряжение. Таким образом, напряжение необходимо изменить, прежде чем оно будет готово для домашнего и коммерческого потребления. Уменьшить или снизить напряжение этого электрического тока проще, чем сделать то же самое для постоянного электрического тока.

Электрическая проводимость

Электрическая проводимость показывает легкость, с которой электричество проходит через материалы, будь то металл или неметалл. Международная система единиц проводимости — сименс (S), ранее известная как мхо.

Противоположно сопротивлению (R), которое означает величину трения, которое материал оказывает на поток электрического тока.

Проводники

Проводники представляют собой материалы, обеспечивающие свободный поток электронов через них. Это означает, что они пропускают электрический заряд беспрепятственно. Большинство металлов являются хорошими проводниками. Это потому, что у них есть свободные электроны или электроны, которые слабо связаны и, таким образом, могут свободно перемещаться от одного атома к другому через материал.

Проводники обычно имеют форму проволоки, а примерами металлов, которые позволяют электричеству беспрепятственно течь, являются серебро, медь, бронза и золото.

Изоляторы

В отличие от проводников, по которым легко перетекают электроны, изоляторы оказывают большое сопротивление потоку электрического тока. Это потому, что атомы этих объектов имеют тесно связанные электроны, которые не могут свободно перемещаться по материалу. В результате электрический ток не может свободно проходить.

Изолятор предотвращает перенос токопроводящего объекта в окружающую среду, тем самым предотвращая потерю тока. Кроме того, изоляторы заставляют электрический ток двигаться более эффективно, задавая направление потоку электронов по проводящему пути.

Электромагнетизм

Электричество и магнетизм составляют электромагнетизм, который является фундаментальной силой в природе. Одним из прекрасных примеров электромагнетизма в действии является гигантский электромагнит, в котором сила притяжения может включаться и выключаться с помощью электричества. С потоком электричества гигантский кусок стали становится магнитом, но сила притяжения исчезает, когда ток отключается.

Но как работает электричество, чтобы намагнитить кусок стали? Итак, когда электричество проходит по проводу, взаимодействие электрически заряженных частиц и незаряженных магнитных силовых полей с электрическими проводниками создает электромагнитное поле и превращает стальной предмет в магнит.

Электричество: единицы измерения

Напряжение (В)

Напряжение — это единица измерения силы, которая заставляет электричество течь по проводу. Чем больше напряжение, тем больше ток.

Ток (А)

Между тем, ток указывает количество электронов, которые проходят через цепь. Единицей измерения является ампер (А), и один ампер представляет собой один кулон электрического заряда, перемещающегося за одну секунду.

Мощность (Вт)

Комбинация напряжения и тока даст вам электрическую мощность, которая указывает количество энергии, переданной за установленный промежуток времени. Ватт (Вт) — единица измерения мощности.

Энергия (кВтч)

Энергия определяется как способность выполнять работу. Когда дело доходит до электричества, это относится к мощности, которая измеряет количество энергии, используемой электрическими приборами или устройствами, а киловатт-час (кВтч) является ее единицей измерения.

Как производится электричество?

В США используются различные технологии и различные источники энергии для производства электроэнергии. Со временем эти технологии и источники продолжают меняться, и некоторые из них получают более широкое распространение, чем другие.

В настоящее время основными источниками энергии для производства электроэнергии являются следующие:  

Невозобновляемый источник энергии

Когда мы говорим о невозобновляемых источниках энергии, мы имеем в виду ископаемое топливо, которое является традиционным источником энергии.

• Природный газ : Это был основной источник энергии для производства электроэнергии в 2020 году, поскольку он обеспечивал 34% потребностей страны в электроэнергии. Для выработки электроэнергии это ископаемое топливо сжигается в котле для производства пара, который затем вращает турбину, производящую электроэнергию. В качестве альтернативы также могут быть использованы газовые турбины.
• Уголь: Этот источник энергии покрывает около 19% потребностей страны в электроэнергии, что делает его третьим по величине источником энергии в США. Уголь используется на электростанциях для производства пара, который поступает в турбину и приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию.
• Масло: Сжигаемое на электростанциях масло выделяет тепло, которое приводит в действие турбины, вырабатывающие электроэнергию. Это обеспечило наименьшее количество энергии для производства электроэнергии, поскольку обеспечивало менее 1% потребностей США.

Возобновляемый источник энергии

Возобновляемые источники энергии — это те, которые природа восполняет естественным путем. Большинство из них:

• Энергия ветра: Турбины улавливают энергию, производимую силой дующего ветра, и преобразуют ее в электричество.
• Гидроэнергетика: Этот возобновляемый источник энергии использует силу текущей воды
• Геотермальная энергия: Большое количество тепла скапливается глубоко под землей. Геотермальная энергия – это энергия, полученная из этого тепла.
• Солнечная энергия: Солнечные панели преобразуют солнечный свет в солнечную энергию, которая затем преобразуется в электричество.
• Биомасса: Использование биомассы для производства электроэнергии включает сжигание органических веществ для производства пара, который приводит в действие турбогенератор для производства электроэнергии.

Как солнечная батарея производит электричество?

Солнечные элементы обычно состоят из двух слоев полупроводниковых материалов, обычно кремния. Один слой содержит положительный заряд, а другой — отрицательный. Солнечный свет, попадающий на клетки, поглощается кремнием, что вытесняет электрон из электрического поля. Цепь, образованная проводящими пластинами на двух слоях проводящего материала и проводом, который их соединяет, позволяет электронам течь в виде электрического тока. Сила тока зависит от количества солнечного света, попадающего на солнечный элемент.

Часто задаваемые вопросы

Что дешевле, переменный или постоянный ток?

Переменный ток дешевле в производстве, и при передаче электроэнергии на большие расстояния происходит меньше потерь энергии, чем при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Почему электричество так важно?

Электричество питает не только дома, но и предприятия, промышленность и транспорт, а также все, что делает жизнь комфортной для всех. Вот что делает его неотъемлемым компонентом нашей повседневной жизни.

Какая сила входит в мой дом?

Как правило, электроэнергия для бытовых нужд поставляется в форме переменного тока. Это связано с тем, что переменный ток, который предоставляет большинство поставщиков коммунальных услуг, легче распределять на большие расстояния. Кроме того, напряжение переменного тока может быть легко преобразовано по сравнению с электричеством постоянного тока.

Какой самый чистый способ производства электроэнергии?

Использование возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнца, воды и т.п., является самым чистым способом производства электроэнергии. Эти поставщики экологически чистой энергии производят электроэнергию без выбросов парниковых газов, связанных с ископаемым топливом.

Final Words

Мир не может работать без электричества. Этот источник энергии приводит в действие все, от гигантских машин, приводящих в движение промышленность, до мельчайших электронных гаджетов, которые помогают нам более эффективно вести домашнее хозяйство. Это делает довольно увлекательным изучение того, как работает электричество.

Конечно, использование электроэнергии имеет свою цену. Если сумма, которую вы платите за электроэнергию, которая питает вашу технику, сильно выбивается из вашего бюджета, есть способы сэкономить на затратах. Один — за счет энергосбережения. Естественно, снижение потребления приводит к снижению счетов за электроэнергию. Вы также можете переключиться на другого поставщика электроэнергии, который предлагает более низкие тарифы, чтобы сэкономить на коммунальных услугах.

Электричество может управлять миром, но платить за удобство, которое оно приносит, не обязательно пробивать дыру в кармане.

Обновлено 28. 11.2019

Physics4Kids.com: Electricity & Magnetism: Current

Электрический ток очень похож на текущую реку. Река течет из одного места в другое, и скорость ее движения равна скорости течения. Размер текущего потока больше связан с размером реки, чем со скоростью реки. Каждую секунду река несет больше воды, чем ручей, даже если оба они текут с одинаковой скоростью. В случае с электричеством ток является мерой количества заряда, переданного за определенный период времени. Текущий поток электронов или отдельных отрицательных зарядов. Когда заряд течет, он несет энергию, которую можно использовать для совершения работы. Ученые измеряют ток в единицах, называемых амперами.

Одним из результатов тока является нагрев проводника. Когда электрическая плита нагревается, это происходит из-за протекания тока. Электроны имеют массу (пусть и маленькую), и когда они движутся по проводнику, происходят столкновения, выделяющие тепло. Чем больше электронов сталкивается с атомами проводника, тем больше выделяется тепла, поэтому более высокий ток обычно означает большее выделение тепла.

Раньше ученые думали, что поток тока всегда нагревает объект, но с современными сверхпроводниками это не всегда так, или, по крайней мере, не так верно, как с обычными материалами. Сверхпроводящие материалы, по-видимому, меньше взаимодействуют между атомами и током, поэтому движущиеся заряды теряют гораздо меньше энергии.

Все, что является материей, может проводить электричество, но не все делает это хорошо. Ученые используют термины проводники, изоляторы и полупроводники. Этикетки используются для описания того, насколько легко энергия передается через объект при перемещении заряда. Пространства между атомами, а также тип атомов определяют, является ли объект хорошим.0128 проводник или хороший изолятор (плохой проводник).

Существует два основных вида электрического тока: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC).