Электричество

РЕФЕРАТ

ТЕМА:

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО



































                                                  2008 г. 

   


  Много веков назад люди открыли особые свойства янтаря: при трении в нем возникает электрический заряд. В наши дни с помощью электричества мы имеем возможность смотреть телевизор, переговариваться с людьми на другом конце света, а также получать свет и тепло, лишь повернув для этого выключатель. Опыты с янтарем, то есть смолой хвойных деревьев, окаменевшей естественным образом, проводились еще древними греками.   Они обнаружили, что если янтарь потереть, то он притягивает ворсинки шерсти, перья и пыль. Если сильно потереть, к примеру, пластмассовую расческу о волосы, то к ней начнут прилипать кусочки бумаги. А если потереть о рукав воздушный шарик, то он прилипнет к стене. При трении янтаря, пластмассы и ряда других материалов в них возникает электрический заряд. Само слово "электрический" происходит от латинского слова electrum, означающего "янтарь".

Вспышка молнии - одно из самых зрелищных проявлении электрического заряда, Молния возникает и результате большого скопления электрических зарядов и облаках, В середине XVIII века один из первых исследователей атмосферного электричества американский ученый Бенджамин  Франклин провел очень опасный эксперимент, запустив в грозовое небо воздушного змея. Он хотел доказать, что молния - результат того же электрического заряда, что возникает при трении предметов друг о друга,

Если имеющие электрический заряд объекты притягивают и удерживают только очень легкие предметы, то магнит может удержать довольно тяжелые куски железа. По-этому издревле магниты применялись с пользой, например, в компасах.


                         Откуда берется электрический заряд?

  

Все атомы окружены облаком электронов, которые несут отрицательный  (-) электрический заряд. Электроны движутся вокруг ядра. Ядро обладает таким же суммарным зарядом, как и все его электроны, но это заряд положительный (+) . Обычно положительный и отрицательный заряды уравновешивают друг друга, и атом является электрически нейтральным.  Но у некоторых веществ часть внешних электронов имеет довольно непрочные связи с их атомами. И если потереть два предмета друг о друга, то такие электроны могут освободиться и перекочевать на  другой предмет. В результате этого перемещения у одного предмета электронов становится больше, чем должно быть, и он приобретает отрицательный  (-) заряд. У второго предмета электронов становится меньше, так что он приобретает положительный  (+) заряд. Заряды, формирующиеся подобным образом, называют иногда «электричеством трения», Какой из предметов приобретет положительный или отрицательный заряд, зависит от относительной легкости, с какой электроны передвигаются в поверхностных слоях двух предметов.

Если натереть шерстяной тряпкой полиэтиленовую леску, то она получит отрицательный заряд, а если натереть органическое стекло, то оно получит положительный заряд. В любом случае тряпка получит заряд, противоположный  заряду натертого материала.

Электрические заряды влияют друг на друга. Положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу, а два отрицательных или два положительных заряда отталкиваются друг от друга. Если поднести к предмету отрицательно  заряженную леску, отрицательные заряды предмета переместятся на другой его конец, а положительные заряды, наоборот, переместятся поближе к леске. Положительные и отрицательные заряды лески и предмета притянут друг друга, и предмет прилипнет к леске. Этот процесс называется электростатической индукцией, и о предмете говорят, что он попадает в электростатическое поле лески.

Майкл  Фарадей доказал, что, электричество трения и электрический ток - одно и то же. Он также доказал, что электрическое поле не может существовать внутри металлической клетки (теперь называемой клеткой Фарадея).



                                               Гром и молния

 

  Грозы обычно бывают летом в жаркую погоду; когда с поверхности земли горячие потоки воздуха  насыщенные влагой, поднимаются вверх. Пока капли  воды  и кристаллы льда кружатся в воздушных потоках грозовых облаков, они  заряжаются электричеством. Крошечные, положительно заряженные  кристаллы льда движутся вверх, а отрицательно заряженные градинки собираются внизу облака.

Точно так же, как из-за электростатической индукции к заряженной леске притягиваются маленькие  предметы, по той же причине и заряженное облако притягивается к земле. Отрицательный заряд на нижней стороне облака притягивается положительным зарядом на земле, и между ними возникает мощная искра (молния). Разряд молнии нагревает воздух и  заставляет его расширяться, что сопровождается грохотом грома. Звук   переносится по воздуху гораздо медленнее, чем свет, поэтому вначале мы видим вспышку, а потом слышим гром.

  При трении металлы не только легко электризуются, но и очень хорошо проводят электричество. Поэтому если металлический предмет находится в  руках человека, то заряд проходит и через тело человека. Электричество, возникающее при трении, чаще встречается у материалов, являющихся плохими проводниками, таких как стекло, резина, пластмасса, смола, Эти материалы называются изоляторами. Так как электричество по ним не передается, его называют статическим электричеством. Фарадей называл его также «обыкновенным» электричеством, однако в наши дни мы повсеместно используем электрический (движущийся) ток. Так что теперь скорее он стал «обыкновенным».



                                          Электрический заряд

  

  Если у вас подошва из резины или синтетического материала, и вы прошлись по ковру, то, прикоснувшись к металлической ручке двери, вы почувствуете  легкий удар током. Эта означает,  что ваше тело при трении подошв о ковер успело зарядиться электричеством,

  Иногда человек испытывает удар током, выходя из машины и закрывая дверь. Вероятней всего, на нем шерстяная или хлопчатобумажная одежда, которая наэлектризовалась от синтетического сиденья машины. Если к тому же у него подошвы из резины или синтетики, которые являются изоляторами, то заряд может  выйти только в момент прикосновения к металлической ручке. Чтобы избежать этого, можно попробовать дотронуться до чего-нибудь металлического еще внутри машины перед выходом. Тогда заряд уменьшится и неприятного удара не последует,

                                                         

                                               Настоящий удар током

  

  Хотя описанные выше удары электрическим током и неприятны, они, тем не менее  безопасны для человека. Но электрические заряды, возникающие в результате трения, в ряде случаев могут вызвать чрезвычайные ситуации. Были случаи, когда огромные супертанкеры взрывались в то время, когда их топливные цистерны промывались мощными водометами.  Электрический заряд возникает при трении капель воды в струе водомета.   Этот эффект сходен с эффектом от восходящего в грозовое облако воздушного потока с капельками воды. В подобных условиях, несмотря на влажную среду; могут вспыхнуть искры, что грозит возгоранием паров бензина, оставшихся в цистерне.

  Самолеты тоже могут получить электрический заряд, если попадут в грозовое облако или при трении шасси о землю вовремя посадки. Раньше  искры от скопившихся на поверхности самолёта  электрических зарядов создавали угрозу взрыва. Однако теперь предпринимаются необходимые меры предосторожности. Например, покрышки шасси делают из электропроводящего материала. На концах крыльев самолета монтируются коронирующие (разрядные) электроды, и все электричество скапливается на концах крыльев и «распыляется».

  Меры безопасности необходимы и при заправке топливом, потому что трение, возникающее в потоке бензина, вполне может вызвать сильный заряд. Поэтому бензонасосы делаются из железа.



                                                Применение

  

  Электричество, возникающее в результате трения, или статическое электричество, используется человеком самым разным образом. Частицы сажи, пепла и им подобных твердых веществ вместе с дымом выбрасываются многочисленными предприятиями в воздух, а затем возвращаются в виде осадков. Благодаря применению электростатических фильтров, устанавливаемых в трубах, приблизительно 98% твердых веществ можно задержать и удалить, пока они не попали в воздух. Этот процесс называется электростатическим пылеулавливанием. Ежегодно в США подобным  образом предупреждается выброс в воздух 20 миллионов тонн  сажи. При покраске  автомобилей и воздушного транспорта пользуются специальной системой  распыления. Однако при этом каждый раз испаряется до 25% краски. Этого можно избежать, сообщив распыляемым частицам электрический потенциал. Наэлектризованные частицы краски начинают притягиваться к поверхности машины или самолета и лучше держатся. Экономия при эффективном использовании системы распыления превышает затраты на зарядное оборудование.

   Та же самая техника используется и при нанесении порошковых покрытий. Наэлектризованное  покрытие словно прилипает к металлу, а при нагревании поверхности порошковое покрытие образует тонкий неразрывный слой.

  Электрический заряд и порошок используются также в ксероксах. На линзу отражается изображение текста или рисунка, которое надо скопировать. Этот черно-белый рисунок переносится на бумагу как рисунок  из заряженных и нейтральных участков. Когда по бумаге рассеивается черный порошок, он притягивается исключительно к заряженным участкам. Затем под действием горячего воздуха порошок закрепляется на бумаге. Такая техника копирования называется  ксерографией. Она также используется в факсимильных аппаратах.



                                         Движущиеся заряды



   При вспышке молнии образуется огромное количество энергии. Затем следует пауза, пока снова не накопится такой же сильный заряд и не вспыхнет новая молния. Представьте теперь, что можно накапливать и разряжать заряды без пауз. Получится постоянный поток зарядов, Таков, собственно, эффект батарейки - хотя при ее работе количество энергии несравнимо с молнией. На этом же принципе построена работа генераторов на электростанциях.

  Если заряды движутся, их поток называют  электрическим током. Для производства электрического тока необходим приток энергии. Обычно энергию получают в результате химических реакций (как в батарейках) или движения (генераторы). Кроме того, энергию можно  получать непосредственно от солнечного  света или теплового излучения. Это делается с помощью солнечных батарей, которые снабжают электроэнергией спутники и другое космическое оборудование.



                                            Животное электричество

 

У животных и человека все процессы жизнедеятельности регулирует мозг, который получает и отсылает сигналы (нервные импульсы) по нервам. И для этого тоже требуется определенный заряд, хотя и очень небольшой. Однако некоторые животные накапливают такое количество электричества, которое способно парализовать или даже убить свою добычу. Например, электрический угорь генерирует разряд в 600 вольт, и этого вполне достаточно, чтобы убить рыбу или очень сильно ударить током человека,

 

                                            Напряжение и ток



Приведенное ниже описание поможет вам лучше понять, что такое ток и электрическое напряжение.

Итак, есть две емкости, соединенные трубкой, и в одну емкость наливается вода. Вода наливается до тех пор, пока ее уровень не станет одинаковым в обеих емкостях. Если одну емкость приподнять над другой, то вода из одной емкости будет перетекать в другую, пока уровни опять не станут одинаковыми.

Чем больше разница в уровнях воды в двух емкостях, тем быстрее будет литься вода. Скорость, с какой переливается вода, аналогична скорости движения тока. С такой скоростью свободные электроны передвигаются в металлической проволоке. Разница в уровне воды сравнима с электрическим напряжением. Чем выше  напряжение,  тем сильнее поток электрического тока.

У батареек в фонариках и в портативных радиоприемниках  напряжение колеблется от 1,5 до 9 вольт. Точная величина зависит от состава и количества элементов в батарейке. В бытовой электросети напряжение составляет от 100 до 240 вольт, в зависимости от местонахождения.



                                       Источник  тока



  Первый химический источник тока был создан итальянским ученым Алессандро Вольта приблизительно в 1800 году. Во время одного из экспериментов он смочил лист промокательной бумаги в соленом растворе и поместил его между пластинами меди и цинка.  Oн обнаружил, что при взаимодействии  меди и цинка в соединяющей их проволоке образовывался электрический заряд. Это означало, что в ходе химической реакции электроны перемещались с пластинки меди на цинк. Единица электрического напряжения, способствовавшего появлению тока, была названо в честь ученого вольтом.

  Для получения электрического тока большей силы необходимо большее напряжение.  Вольта сделал конструкцию из чередующихся  медных и цинковых пластин.  При этом каждая их пара отделялась от следующей  влажным кружком из картона.  Эта конструкция получила название «вольтов столб».

  Строго говоря, источником тока является конструкция из одной пластины каждого металла. Вольтов столб, по сути, был первой электрической батареей, сделанной руками человека. Однако в повседневной жизни мы называем "батарейками" все химические источники тока, независимо от того, состоят ли они из одного элемента или нескольких. Например, аккумулятор (12 вольт) составлен из 6 элементов по 2 вольта каждый. Батарейка в фонарике (1,5 вольта) является единым элементом.




                                                          Батареи



Существует огромное количество разных электрических батареи, но в их устройстве всегда присутствуют два фактора. Они обязательно состоят из двух разных химических элементов (например, цинка медь, уголь и медь, цинк и ртуть) и жидкости, их разделяющей (в элементе Вольты это был соляной раствор). Жидкость называется электролитом. Иногда электролит присутствует в виде пасты, чтобы избежать протечек.

  Наличие разных химических элементов необходимо по той же причине, по какой при получении статического электричества путем трения используются разные  материалы. В одном материале электроны движутся с большей свободой и поэтому имеют тенденцию перемещаться на другой материал. В электрическом элементе две пластины  и жидкость между ними являются проводниками электричества. Электроны,  «освобожденные» во время химической реакции, могут без  конца перемещаться, было бы только пространство. Таким пространством становится электрическая цепь. Поток электронов может быть остановлен  при разрыве цепи. В быту эту роль выполняет выключатель.

  В батарейках, калькуляторах, портативных приемниках и слуховых аппаратах роль электролита выполняет влажная паста. Батарейки вырабатывают электричество, пока в них идет химическая реакция.

  В недорогих батарейках один химический элемент представляет собой цинковую емкость, второй - угольный электрод. Со временем цинковая емкость расплавляется, поэтому наружная оболочка таких батареек плотно запечатывается, чтобы содержимое не вытекло и не испортило другие вещи, В долговечных щелочных  батарейках те же химические элементы, но другой электролит. В маленьких круглых батарейках, используемых в часах, химические пластины сделаны из  цинка и ртути или цинка и оксида серебра.

  Некоторые батарейки можно перезаряжать, пропуская ток в обратном направлении. Обычно такие батарейки работают на никеле и кадмии.  Элементы должны заряжаться только в специальном зарядном устройстве с правильным напряжением. Никогда не стоит пытаться зарядить обыкновенную батарейку. В аккумуляторах автомобилей и электрического транспорта содержится жидкость, поэтому они должны находиться только в вертикальном положении. Обычно они работают на свинце и свинцовом сурике и могут перезаряжаться много раз. Электролит чаще всею представляет собой разбавленную серную кислоту; поэтому они обычно запечатаны.

  Электрические автомобили бесшумны и не загрязняют воздух (тем не менее, воздух загрязняют электростанции, снабжающие электричеством зарядные устройства). В настоящее время проводятся эксперименты по производству перезаряжаемых автомобильных аккумуляторов, которые по весу были бы легче существующих. Есть вероятность, что однажды появятся  аккумуляторы с пластиковыми элементами.



                                       Электричество и магнетизм



Заряженный предмет окружен электрическим  полем, которое действует на окружающие предметы, - вспомним расческу и притягивающиеся к ней кусочки бумаги и пылинки. Магнит тоже окружен магнитным полем, которое можно увидеть, если поблизости есть металлические опилки.  Некоторые характеристики электрического и магнитного полей похожи, другие отличаются. Вот несколько примеров.

  Магнитные силы гораздо сильнее  электрических. В то же время электрический заряд может перейти с одного тела или предмета на другой - явление, называемое индукцией, - и магнит  распространяет  свое действие на другой магнитный материал. Но зарядиться электричеством может все,  магнитные же свойства передаются только телам, способным намагничиваться, таким как железо, сталь и некоторые сплавы.

  Электрические заряды делятся па положительные и отрицательные, магнитные полюсы делятся на южный и северный.  Однородные заряды отталкиваются, противоположные притягиваются: одинаковые магнитные полюсы тоже отталкиваются, а противоположные притягиваются. Однако северный и южный полюсы  никогда не смогут существовать отдельно друг от друга. Если магнит сломать, то из слома образуется новый южный или новый северный полюс.



                                  О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ

  

  Электричество и магнетизм тесно связаны  друг с другом. Если пропустить электрический ток через скрученную проволоку, она приобретет свойства магнита. А если проволоку обернуть вокруг магнитного материала, то он также намагнитится. Но этому принципу устроен электромагнит.

  Если магнитное поле проходит через витки проволоки и при этом как-то меняется (становится сильнее или слабее или сдвигается), то в них возникает ток. В свою очередь, ток возвращает магнитное поле в прежнее состояние за счет создания своего магнитного поля.

  В устройстве электромоторов и генераторов используется описанное выше явление - ток создаст магнитное поле, а изменения в магнитном поле производят ток.

  Это явление, открытое Фарадеем, используется также и в трансформаторах, которые служат для преобразования напряжения в  энергоснабжающих  системах и в электронном оборудовании - например, телевизорах и радиоприемниках. Трансформаторы работают  на переменном токе, текущем в бытовой электросети, В отличие от тока в батарее переменный ток движется в двух направлениях - вперед-назад, вперед-назад, меняя направление со скоростью 50 раз и секунду, (В США, соответственно, 60).

  Железный сердечник трансформатора имеет две обмотки медного провода, бегущий по одной из них переменный ток создает в сердечнике быстро меняющееся магнитное поле. Эго вызывает переменный ток во второй обмотке. Таким образом, энергия передается из одной обмотки в другую, хотя между ними и нет непосредственного контакта. Их связь исключительно магнитная.

  Напряжение на выходе зависит от количества витком в каждой обмотке. Оно может быть больше входного напряжения или меньше. Хотя увеличение напряжения «подталкивает» заряды, их поток сокращается, то есть уменьшается сила тока. Когда электричество передается по высоковольтным проводам, трансформатор усиливает напряжение как раз, для того, чтобы уменьшить ток. Когда же электричество подводиться к домам, трансформатор снижает напряжение.



                                           Моторы и генераторы

 

  В простом электрическом моторе ток намагничивает обмотку, и ее витки притягиваются к полюсам магнита. Кроме того, в моторе установлен вращающийся переключатель, который автоматически меняет направление тока каждые пол-оборота.

  Этот процесс действует и в обратном направлении: поворачивается проволока - и возникает напряжение. То есть мотор становится генератором.