Беседы по электротехнике с учениками.

Представления об электричестве

достаточные, для освоения практических навыков в электрике.

Приходят пятнадцатилетние ребята, хотят научиться нашему ремеслу.

Я говорю, что надо иметь хотя бы минимальное представление об электричестве.

Даже те, кто уже проходил по физике электричество, не имеют элементарного представления.

Попытки разъяснить, что потенциал – числено равен работе по перемещению единичного электрического заряда из бесконечности в данную точку поля, приводят слушателей в ступор и убивает всякое желание слушать разъяснение электротехники дальше.

Я поделился этим мнением с профессиональным электриком, который много лет занимается строительной электрикой. Он сказал в ответ, что тоже не знает, что такое ЭДС и толком объяснить, что такое напряжение тоже не может. Однако он понимает, как проверить напряжение, как прозвонить цепи, как подобрать электроарматуру, как найти неисправность в цепи и т. д.,  и считает, что этого достаточно.

И все – таки, мне нужно, чтобы те ребята, которые работают со мной, имели представление, об основных электрических процессах, с которыми мы имеем дело. Правильные книжные определения, которые затрудняют понимание, пока использовать не будем.

В дальнейшем, те, кто почувствует, что нужно серьезно понимать электротехнику, прочитают приличные учебники и получат уже инженерное представление об электрических процессах.

Не пугающая электротехника.

Что изучает электротехника?

Электротехника изучает все, что связано с применением электричества в жизни.

Что такое электричество?

Электричество – это вид энергии

Какие еще бывают виды энергии?

Тепловая, механическая, световая, волновая (электромагнитная), химическая, атомная.

Что такое энергия?

Энергия это возможность совершения какого - то действия, какой-то работы.

Если энергия есть, она может создать тепло, свет, вращение, химические процессы.  Иначе говоря, если нужно что – то сделать: нагреть, осветить, вращать, двигать, то, прежде всего, нужна энергия.

Закон сохранения энергии: Энергия ниоткуда не возникает, она есть и просто переходит из одного вида в другой, или от одного тела к другому.

Что-то сделать – это значит преобразовать энергию в другой вид. Например, если сильно нагреть проволоку, она начнет давать свет, Если сильно нагреть газ в цилиндре, он начнет толкать поршень и т. п.

Как мы используем электричество?

Электричество используется для получения тепла, света, вращения моторов, радиопередачи, для работы электронных устройств, для зарядки аккумуляторов и всяких электрохимических процессов.

Электричество это энергия и она превращается в другие виды энергии.

В чем польза электричества? И в чем преимущество электрической энергии?

Польза электричества в том, что оно позволяет получать свет, тепло,  механическое вращение, производить химические процессы и т. п.

Польза электричества том, что все другие виды энергии можно получать из электрической с высокой эффективностью, без огня, дыма, и лишнего шума.

Электрическую энергию можно предавать на любые расстояния, и  подводить к любым точкам с помощью мягких проводов.

Что такое – электрический ток?

Электрический ток - это движение электрически заряженных частиц. Это могут быть отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы.

Откуда берутся внешние заряды, которые заставляют протекать ток? Для того чтобы приложить внешние заряды к проводнику, надо подключить его к источнику электроэнергии, например к батарейке. Батарейка создает эти самые заряды, это ее природное свойство.

Что такое электрический заряд?

Заряд - это заряженная частица или тело, в котором нет равновесия между заряженными частицами.

Что такое электрон?

Мельчайшая частица, которая вращается на орбитах атома, она заряжена отрицательно, то есть, она несет минус.

Нам важно знать, что электрон может быть свободным, может двигаться в пространстве между атомами. Материалы, в которых возможно движение свободных электронов называются проводники.

Как электроны действуют друг на друга?

Электроны – это заряды, а одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, то есть, между ними есть силовое взаимодействие.

Что такое свободные электроны?

Почти все электроны сильно связаны со своим ядром атома, оно положительно заряжено и электроны испытывают его притяжение. Только на самых дальних орбитах электроны почти не испытывают притяжения ядра и могут легко оторваться от него. Такие электроны становятся свободными и могут участвовать в токе.

Электроны могут стать свободными не во всех веществах, а только в проводниках. Иначе говоря, только те вещества, в которых электроны могут стать свободными и являются проводниками - медь, алюминий, серебро, золото.

Что такое отрицательный заряд тела – это избыток электронов

Что такое положительный заряд тела – это недостаток электронов.

В жидкостях и газах могут быть положительные частицы – ионы и тогда положительный заряд это избыток положительных ионов.

Как получаются в батарейке положительный и отрицательный заряд?

Батарейка (правильно называть элемент) это такой предмет, в котором электроны смещены в одну сторону и получается  отрицательный заряд, а с другой стороны избыток положительных ионов и там возникает положительный заряд. Таким образом, батарейка имеет два полюса отрицательный и положительный.

Упростим для начала, и забудем про положительные ионы. Будем считать, что в батарейке только смещение электронов.

Что значит заряженная батарейка?

Вещества, из которых состоит батарейка, своими химическими силами разделяют заряды -  отрицательные частицы в одну сторону, положительные частицы в другую сторону.  Пока в  батарейке есть активные химические вещества, она заряжена.

Активные вещества в батарейке - это двуокись магния и цинковый порошок.

Заряженная батарейка обладает Электродвижущей силой (ЭДС) – это максимальное напряжение, которое она создает. Плюс и минус батарейки –это и есть ее ЭДС.

Почему батарейка разряжается?

Батарейка заряжена от природы, благодаря специально подобранным веществам, которые создают химические силы разделяющие заряды.

При работе батарейки происходит химическая реакция и вещества расходуются, когда они полностью израсходуются, разделение зарядов становится невозможно и батарейка оказывается разряженной. Снова вернуть исходные вещества в батарейке не получится, надо покупать новую.

В разряженной батарейке закончились исходные химические вещества.

Устройство, в котором израсходованные вещества можно восстановить, то есть, снова зарядить – называется аккумулятором.

Как батарейка создает электрический ток?

На полюсах заряженной батарейки заряды - плюс и минус – Это её Электродвижущая сила (ЭДС). Электроны испытывают стремление двигаться к плюсу, он их притягивает. Если создать путь для движения электронов, например, взять провод и соединить минус батарейки и плюс, то электроны по этому проводу начнут двигаться, притягиваясь к полюсу. Так возникает электрический ток.

Что такое электрическая цепь?

Ток заставляет протекать Электродвижущая сила.

Электрическая цепь это замкнутый кольцом контур, в котором электроны выталкиваются минусом  батарейки и притягиваются к плюсу.  По проводу, соединяющему плюс и минус пойдет ток.

Смысл электрической цепи – это протекание тока для получения полезного результата: тепла, света, вращения и т. д.

Как сделать полезную электрическую цепь?

В провод на пути тока нужно включить полезное устройство.

Провод соединяет плюс и минус батарейки, ЭДС гонит через него электроны.

Идет электрический ток.  Ток должен работать, он должен выделить какую-то полезную энергию, поэтому в провод надо включить полезное устройство, которое будет выдавать эту энергию. Такое устройство называют приемник электрической энергии, его чаще называют нагрузка.

Что такое нагрузка?

Еще раз.

Что такое электрическая цепь?

Электрическая цепь это источник, приемник и провода, которые соединяют источник и приемник в общий замкнутый контур.

А если просто проводом соединить полюса батарейки?

Получится Короткое замыкание.

То есть, если создать цепь без нагрузки, то батарейка быстро разрядится, а провод может сгореть. Такое соединение полюсов источника (просто проводом) называется короткое замыкание. Короткое замыкание это - бессмысленное соединение, потому что, ничего полезного такая цепь не даст, в ней нет приемника электрической энергии. Короткое замыкание может получиться случайно или по ошибке. При коротком замыкании, может сгореть источник и провод.

Для защиты источника и провода от короткого замыкания в цепи включают предохранители.

Если есть провод от плюса аккумулятора, то его нельзя соединять с корпусом (массой) или с минусом, потому что это и есть короткое замыкание. При коротком замыкании никакой пользы не получится, только дым, искры и запах сгоревшей изоляции.

Что такое электродвижущая сила – ЭДС ?

Электродвижущая сила. Это «сила» зарядов батарейки, которые выталкивают электроны с минуса и притягивают их к плюсу. ЭДС батарейки 1,5 Вольта, потому, что химические вещества батарейки создают именно такую ЭДС.

ЭДС автомобильного аккумулятора 2,1 Вольта. В аккумуляторе 6 банок по 2,1 Вольта, получается 12,6 Вольта.

Разные источники могут от природы иметь разные значения ЭДС

Литий – ионный аккумулятор создает ЭДС 2,3 В. Железно – никелевый -1,2 В.

ЭДС генератора электростанции 10000 Вольт.

ЭДС – это максимальное напряжение, которое создает источник. Чтобы узнать какая ЭДС у данного источника, надо от него все отключить.  ЭДС можно измерить только если к источнику ничего не подключено и тока нет.

Как только что нибудь подключается и появляется ток и на клеммах источника уже действует напряжение, оно всегда ниже, чем ЭДС и будет тем ниже, чем больше подключено нагрузок.

По тому, на сколько напряжение ниже ЭДС, можно оценить, перегружен источник или нет.

Что такое сопротивление?

В электрической цепи обязательно должен быть включен приемник (нагрузка).

Только в этом случае электрическая цепь приобретает смысл, от неё можно получить полезный результат.

Обязательным свойством приемника (нагрузки) является сопротивление. (лампочка, моторчик, нагреватель и т .п.)

Сопротивление это способность сопротивляться протеканию тока. Сопротивление мешает протеканию тока и поэтому ток работает, преодолевает сопротивление, его энергия превращается в другие виды энергии.

Если сопротивления нет, то ток не работает, ему ничего не мешает, и он  становится огромным, это уже известное нам короткое замыкание.

Сопротивлением обладают и нагрузки и провода и сам источник электроэнергии.

Сопротивление нагрузки полезное свойство. Сопротивление проводов и самого источника вредно, поэтому оно должно быть как можно меньше.

На сопротивлении при протекании тока всегда выделяется тепло. Нагрузки греются, провода греются, сам источник тоже греется. Чем меньше сопротивление проводов и источника, тем меньше они греются. Про нагрузку такое сказать нельзя, например, если лампочка не греется, то она и не светит.

Сопротивление в ненужном месте становится причиной нарушения работы электрических цепей.

 Что в электрических цепях сгорает чаще всего?

Чаще всего сгорают контактные точки – места соединения участков цепи. Места соединения это специальные разъемы, винтовые соединения, пайки, скрутки.

Именно в местах контактов чаще всего нарушается работа электрических цепей. В контактах повышенное сопротивление, поэтому в этих местах происходит нагрев и сгорание. Говорят, что электротехника – это наука о плохих контактах.

Какие виды энергии можно получить от тока в цепи?

Преодолевая сопротивление, ток расталкивает атомы, которые стоят на пути электронов, поэтому приемник электрической энергии нагревается, то есть, из электрической энергии получается тепловая энергия. А при нагревании вольфрамовой нити до бела, получается  свет.

Свет из электрической энергии можно получить и без нагрева, для этого в качестве приемника нужно включить светодиод.

Можно пропустить ток через электромотор, и он будет крутиться, то есть электрическая энергия превращается в механическую. Можно пропустить ток через аккумулятор, зарядить его, и тогда электрическая энергия превратится в химическую. Аккумулятор содержит именно химическую энергию, которая потом, при разрядке, превращается в электрическую.

Итак, приемники электрической энергии: лампочка, электромотор, электромагнит, аккумулятор,  и многие другие устройства.

Что такое изоляция?

Изоляция это специальные детали и материалы, которые применяются в электрических цепях и устройствах, для того, чтобы не допустить протекание тока куда не нужно (например исключить короткое замыкание). Провода одеваются в пластиковые трубки, чтобы не коснулись друг друга, вилки и розетки делаются из пластмассы и т. п. Изоляторы в электротехнике не менее важны, чем проводники. Не забывайте ставить изоляторы, там где они нужны.

Изоляторы – это трубки, шайбы, прокладки из пластмассы. Если забыть поставить изолятор, то получится короткое замыкание и устройство работать не будет.

Теперь о напряжении

Что такое напряжение?

Что толкает ток, почему он течет?

Если мы берем два проводка от батарейки и присоединяем их к лампочке, то это значит, что мы прикладываем к лампочке напряжение. Это напряжение заставляет протекать ток в лампочке.

Напряжение это действие зарядов, которые заставляют протекать ток.

Напряжение рождает источник. Максимальное напряжение, которое может создавать источник, называется ЭДС

Напряжение  в цепи рождается Электродвижущей силой источника.

Батарейку можно считать источником напряжения, это применимо для большинства случаев. Напряжение батарейки 1,5 Вольта

В розетке действует напряжение, если включить в нее настольную лампу, она загорится. Напряжение в розетке 220 Вольт

Напряжение от автомобильного аккумулятора 12 Вольт

Напряжение можно легко и быстро померить, ток и сопротивления, померить сложнее, поэтому именно проверив напряжение, быстрее всего определить, исправна цепь или нет.

Какое должно быть напряжение?

Если аккумулятор создает напряжение 12 Вольт, то такое напряжение должно быть и на всех приборах, которые от него работают.

Напряжение в схеме должно быть такое, которое создает источник.

Однако, может быть и не так. Подключаем много приборов, и видим, что  напряжение становиться ниже, чем нужные 12 Вольт.

Точнее:

Аккумулятор создает Электродвижущую силу, это максимально напряжение, которое он может создать. Реально, при подключении любой нагрузки, напряжение становится ниже, чем ЭДС. Чем больше подключаем приборов, тем ниже напряжение.

Количество приборов на автомобиле рассчитывается так, что если все они включены, напряжение должно оставаться близким к 12 Вольтам.

Если напряжение становится заметно ниже, то это значит, что мы включили слишком много приборов и мощности аккумулятора не хватает, чтобы удержать на них нужное напряжение.

Возможно, аккумулятор разряжен и его ЭДС стала значительно ниже, чем должна быть (12, 6 В).  и выросло внутреннее сопротивление.

Если нагрузка нормальная, а напряжение значительно ниже, чем должно быть, то причина  в том, что аккумулятор разряжен. По тому, насколько напряжение ниже, чем должно быть, можно оценить насколько разряжен аккумулятор.

Если подключить приборы, которые  значительно мощнее тех которые должны быть (например, мощная музыка или дополнительный фары), то напряжение сильно просядет, мощности аккумулятора для них не хватает, придется отключить слишком мощную нагрузку или использовать более мощный источник.

Плохо светит, вяло крутит.

Напряжение в сети автомобиля может быть нормальное - близкое к 12 Вольтам, но на определенном приборе напряжение может оказаться значительно ниже, скорее всего, дело в том, что в местах его подключения плохие контакты. Надо контакты зачистить, затянуть, поджать.

Если на приборе (например, на лампочке) напряжения нет совсем – это значит, что его цепь неисправна.

Ток, напряжение и сопротивление - как они связаны?

В электрической цепи работает ток. Напряжение толкает, сопротивление мешает. Если нужно увеличить ток, нужно увеличить напряжение или уменьшить сопротивление.  Это Закон Ома

(Ток тем больше, чем больше напряжение и чем меньше сопротивление).

Напряжение на автомобиле постоянное 12 Вольт.  При работе генератора 14 Вольт.

Все нагрузки автомобильного электрооборудования рассчитаны на напряжение 12 Вольт. Они отличаются друг от друга сопротивлением. Мощные имеют меньшее сопротивление и пропускают большие токи, а маломощные имеют большое сопротивление и пропускают  маленькие токи.

У маленькой лампочки большое сопротивление, она пропускает маленький ток и слабо светит

У большой лампочки маленькое сопротивление, она пропускает сильный ток и ярко светит.

Вопросы по прочитанному материалу

Что изучает электротехника?

Что такое электричество?

Какие еще бывают виды энергии?

Что такое энергия?

Закон сохранения энергии:

Как мы используем электричество?

В чем польза электричества? И в чем преимущество электрической энергии?

Что такое – электрический ток?

Что такое электрический заряд?

Что такое электрон?

Как электроны действуют друг на друга?

Что такое свободные электроны?

Как получаются в батарейке положительный и отрицательный заряд?

Что значит заряженная батарейка?

Почему батарейка разряжается?

 Как батарейка создает электрический ток?

Что такое электрическая цепь?

Как сделать полезную электрическую цепь?

Что такое нагрузка?

Что значит короткое замыкание?

Что такое электродвижущая сила – ЭДС ?

Что такое сопротивление?

Какие виды энергии можно получить от тока в цепи?

Что такое изоляция?

 Что такое напряжение?

Что толкает ток, почему он течет?

Какое должно быть напряжение?

Почему плохо светит и вяло крутит?

Ток, напряжение и сопротивление - как они связаны?