Электричество с нуля: Электротехника для чайников | AlexGyver

Электротехника для чайников | AlexGyver

Начнем пожалуй с понятия электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.

Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.

Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду. И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.

Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Точнее не скорость потока, а количество вытекающей за секунду воды. Вы понимаете, что чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше. . Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи.

Зависимость между всеми тремя рассмотренными величинами в цепи постоянного тока определяет закон ома, который выражается вот такой формулой, и звучит как сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.

Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление, и для нашего воображаемого проводника существует вот такая формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением.

Удельное сопротивление веществ можно найти в интернете в виде таблиц.

Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость. Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Формулу даже запоминать не нужно, достаточно представить себе трубу с водой.

Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление на сайте где я её купил и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!

Шкала мультиметра разбита по размерам измеряемых величин, это сделано для более высокой точности измерения. Если я хочу измерить резистор с номиналом 100 кОм, я ставлю рукоятку на большее ближайшее сопротивление. В моём случае это 200 килоом. Если хочу измерить 1 килоом, то ставлю на 2 ком. Это справедливо для измерения остальных величин. То есть на шкале отложены пределы измерения, в который нужно попасть.

Давайте продолжим развлекаться с мультиметром и попробуем измерить остальные изученные величины. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор, который в своей молодости сделал мой дед. Напряжение на этих источниках мы можем измерить прямо сейчас, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. С напряжением всё понятно, его можно взять и измерить. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель, или нагрузка. Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом).

Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока. Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Вот схема, её тоже следует помнить и не путать с подключением вольтметра. Кстати существует такая штуковина как токовые клещи. Они позволяют измерять силу тока в цепи без подключения непосредственно к цепи. То есть не нужно отсоединять провода, просто накидываешь их на провод и они измеряют. Ну ладно, вернёмся к нашему обычному амперметру.

Итак, я измерил все токи. Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Так не пойдёт, давайте разбираться. Слышь ты! Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем. Закон назвали закон Джоуля-Ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени. Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах.

Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.

Этот момент стоит учитывать при подведении проводов к нагрузке, то есть прокладка проводки к розеткам по квартире тоже входит в это понятие. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Поэтому есть вот такая табличка, которая связывает площадь поперечного сечения проводов с максимальной мощностью, которая по этим проводам будет идти. Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.

Также в рамках этого выпуска хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а общее сопротивление вычисляется вот по такой формуле.

Из этого вытекает один очень интересный момент, который можно использовать для измерения силы тока. Допустим нужно измерить силу тока в цепи около 2 ампер. Амперметр с этой задачей не справляется, поэтому можно использовать закон ома в чистом виде. Знаем, что сила тока одинакова при последовательном соединении. Возьмём резистор с очень маленьким сопротивлением и вставим его последовательно нагрузке. Измерим на нём напряжение. Теперь, пользуясь законом ома, найдём силу тока. Как видите, она совпадает с расчётом ленты. Здесь главное помнить, что этот добавочный резистор должен быть как можно меньшего сопротивления, чтобы оказывать минимальное влияние на измерения.

Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае ещё и загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если вы помните начало выпуска, то можете провести аналогию с водой. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Таким образом ток короткого замыкания зависит от величины внутреннего сопротивления источника.

Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник. Как я уже говорил, силу тока в цепи определяет нагрузка. Многие писали мне вк и задавали примерно вот такой вопрос, я его слегка утрирую: Саня, у меня есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Ток в цепи будет равен 100 миллиампер, и никто никуда не будет гореть. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Запомните, именно потребитель определяет величину тока в цепи. Этот блок может выдать максимум 2 ампера, и когда я закорачиваю его на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не нравится, он работает в экстремальных условиях. А вот если взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.

Давайте для примера произведём расчёт блока питания, который потребуется для питания известного отрезка светодиодной ленты. Итак, закупили мы у китайцев катушку светодиодной ленты и хотим запитать три метра этой самой ленты. Для начала идём на страницу товара и пытаемся найти, сколько ватт потребляет один метр ленты. Эту информацию я найти не смог, поэтому есть вот такая табличка. Смотрим, что у нас за лента. Диоды 5050, 60 штук на метр. И видим, что мощность составляет 14 ватт на метр. Я хочу 3 метра, значит мощность будет 42 ватта. Блок питания желательно брать с запасом на 30% по мощности, чтобы он не работал в критическом режиме. В итоге получаем 55 ватт. Ближайший подходящий блок питания будет на 60 ватт. Из формулы мощности выражаем силу тока и находим её, зная, что светодиоды работают при напряжении 12 вольт. Выходит, нам нужен блок с током 5 ампер. Заходим, например, на али, находим, покупаем.

Очень важно знать потребляемый ток при изготовлении всяких USB самоделок. Максимальный ток, который можно взять от USB, составляет 500 миллиампер, и его лучше не превышать.

И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.

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.

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.

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.

Мощность определяется нагрузкой.

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).

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:

Адаптировано на основе данных MSF

Главная | Другая сила

Представленный DanB
вс, 27.11.2022 — 11:44

27 марта — 1 апреля 2023 г. в Институте Handy Village, Саксафо, Северная Каролина

Пять дней интенсивных практических занятий по теории и изготовлению небольших ветряных турбин на прекрасном объекте, размещенном некоммерческой организацией, занимающейся соответствующими технологиями. .

Представлено администратором
чт, 17.05.2012 — 11:15

Мы — группа энтузиастов альтернативной энергетики, которые хотят распространять информацию о том, что создавать собственное электричество С НУЛЯ — УДОБНО и ПРОСТО. Штаб-квартира Otherpower расположена в отдаленной части гор Северного Колорадо, в 11 милях от ближайшего столба электропередач или телефонной линии. Все наши дома и магазины работают только на солнечной энергии, энергии ветра, воды и генераторов… не потому, что мы пытаемся сделать какое-то политическое или экологическое заявление, а потому, что это единственные доступные варианты. И мы отказываемся переезжать в город.

Представлено администратором
в сб, 26.11.2022 — 13:50

Представлено администратором
вс, 03.06.2018 — 11:00

Присоединяйтесь к Дэну Бартманну из Otherpower и сотрудникам Ассоциации возобновляемых источников энергии Среднего Запада для интенсивной практической недели строительства ветряных турбин с нуля в Стивенс-Пойнте, штат Висконсин, 9 июля.-14, 2008!

Вы будете изучать теорию ветроэнергетики, выбор площадки, автономные энергосистемы и аккумуляторные батареи, системы управления турбинами, металл c

Представлено администратором
вс, 01. 04.2018 — 08:54

Представлено администратором
вс, 21.01.2018 — 10:37

Присоединяйтесь к Дэну Бартманну и Деборе Амарал на 6 полных дней строительства ветряной турбины в институте Handy Village в Саксапахау, Северная Каролина, 19 марта.-24, 2018!

Представлено администратором
в пт, 17.11.2017 — 07:39

Это тест на новом сервере. Не обращайте внимания на.

Мы получаем много запросов о том, где найти бывшее в употреблении оборудование для солнечной энергетики. Вот что мы узнали за эти годы:

Представлено администратором
в сб, 22.07.2017 — 14:44

Присоединяйтесь к Дэну Бартманну и Ассоциации возобновляемых источников энергии Среднего Запада в течение 6 полных дней строительства ветряных турбин!

Это интенсивный курс, поэтому ожидайте, что после каждого занятия в течение всего дня вы будете утомлены.

Регистрация и дополнительная информация ЗДЕСЬ.

Представлено администратором
в вс, 09.04.2017 — 08:37

Подписаться

Созданная с нуля ветряная турбина

создает мощность и привлекает внимание

• автор:

Райан Флауэрс

Если вы когда-либо стремились жить вне сети, то, вероятно, одной из первых вещей, о которых вы думали, было то, как обеспечить электропитание всех ваших потребностей в электроэнергии, а также где э… ну, мы будем придерживаться электрических потребностей. В зависимости от вашего местоположения вы можете сосредоточиться на гидроэнергетике, солнечной энергии или даже ветряной турбине. Или, если вы [Крис Харбор], все три . В видео ниже перерыва мы видим, как [Крис] мастерски восстанавливает свою ветряную турбину с нуля и перенастраивает свое решение для зарядки, чтобы оно соответствовало требованиям.

Роторы созданы с помощью распечатанного на 3D-принтере приспособления для ротора

Настоящий хакер в душе, [Крис] использовал все, от 3D-печати до сломанных автомобильных деталей, чтобы построить свою новую ветряную турбину. Трехфазный генератор построен с нуля. Статор с ручной обмоткой прочно удерживается между двумя магнитными роторами, где магниты удерживаются на месте с помощью напечатанных на 3D-принтере приспособлений.

Опорная пластина, вырезанная на станке с ЧПУ, удерживает все вместе, а также поддерживает автоматически закручивающуюся лопасть, которая предотвращает саморазрушение всей турбины в ненастную погоду. Поврежденная ступица колеса от Land Rover [Криса] служит основой для подшипника, так что вся турбина может поворачиваться против ветра, а различные обработанные детали завершают сборку. Единственное, что мы, , не увидели в сборке, это горячий клей и стяжки, но мы по-прежнему надеемся.

По иронии судьбы, одна из проблем, которую [Крису] пришлось решать, заключалась в том, чтобы иметь слишком много энергии .