Lähettää

Mitä sähkö on?

Sähkö on joukko fysikaalisia ilmiöitä, jotka liittyvät sähkövarauksen olemassaoloon. Vaikka alun perin sähköä pidettiin magnetismista erillisenä ilmiönä, mutta Maxwellin yhtälöiden kehittyessä molemmat ilmiöt tunnistettiin osaksi yhtä ilmiötä: sähkömagnetismia. Sähköön liittyy useita yleisiä ilmiöitä, kuten salama, staattinen sähkö, sähkölämmitys, sähköpurkaukset ja monet muut. Lisäksi sähkö on monien nykyaikaisten teknologioiden ytimessä.

Sähkövaraus, joka voi olla joko positiivinen tai negatiivinen, synnyttää sähkökentän. Toisaalta sähkövarausten liike, jota kutsutaan sähkövirraksi, luo magneettikentän.

Kun varaus asetetaan pisteeseen, jossa on nollasta poikkeava sähkökenttä, siihen vaikuttaa voima. Tämän voiman suuruus määräytyy Coulombin lain mukaan. Siten, jos tätä varausta siirrettäisiin, sähkökenttä suorittaisi sähkövarauksen siirtämisen (jarrutuksen). Siten voimme puhua sähköpotentiaalista tietyssä avaruuden pisteessä, joka on yhtä suuri kuin ulkoisen agentin suorittama työ siirrettäessä positiivisen varauksen yksikkö mielivaltaisesti valitusta vertailupisteestä tähän pisteeseen ilman kiihtyvyyttä ja pääsääntöisesti mitattuna voltteina.

Sähkötekniikassa sähköä käytetään:

• sähkön toimittaminen paikkaan, jossa sähkövirtaa käytetään laitteiden virtalähteenä;
• elektroniikassa, joka käsittelee sähköisiä piirejä, jotka sisältävät aktiivisia sähkökomponentteja, kuten tyhjiöputkia, transistoreita, diodeja ja integroituja piirejä sekä niihin liittyviä passiivisia elementtejä.

Sähköilmiöitä on tutkittu antiikista lähtien, vaikka teoreettinen ymmärrys alkoi kehittyä 1600- ja 1700-luvuilla. Silloinkin sähkön käyttö käytännössä oli harvinaista, ja vasta 1800-luvun lopulla insinöörit pystyivät käyttämään sitä teollisuus- ja asuinkäyttöön. Sähkötekniikan nopea kasvu tuolloin muutti teollisuutta ja yhteiskuntaa. Sähkön monipuolisuus piilee siinä, että sitä voidaan käyttää lähes rajattomalla määrällä toimialoja, kuten liikenne, lämmitys, valaistus, tietoliikenne ja tietojenkäsittely. Sähkö on nykyään modernin teollisen yhteiskunnan selkäranka.

Sähkön historia

Kauan ennen kuin sähköstä tiedettiin, ihmiset tiesivät jo sähkökalojen sähköiskuista. Muinaiset egyptiläiset tekstit vuodelta 2750 eaa. eKr., he kutsuivat näitä kaloja "Niilin ukkostajiksi" ja kuvasivat niitä kaikkien muiden kalojen "suojelijaksi". Muinaisten kreikkalaisten, roomalaisten ja arabien luonnontieteilijiltä ja lääkäreiltä löytyy jälleen todisteita sähkökaloista tuhansia vuosia myöhemmin. Useat muinaiset kirjailijat, kuten Plinius Vanhin ja Scribonius Largus, todistavat tunnottomuudesta monni ja sähkösäteiden tuottamien sähköiskujen vaikutuksena, ja he tiesivät myös, että tällaiset iskut voivat siirtyä johtavien esineiden kautta. Potilaita, jotka kärsivät sairauksista, kuten kihdistä tai päänsärystä, määrättiin koskettamaan tällaisia ​​kaloja siinä toivossa, että voimakas sähköisku voisi parantaa heidät. On mahdollista, että varhaisimman ja lähimmän likiarvon salaman ja sähkön tunnistamiseen muista lähteistä tekivät arabit, jotka 1400-luvulle asti käyttivät kielessä sanaa salama (raad) sähkösäteisiin.

Välimeren muinaiset kulttuurit tiesivät, että jos tiettyjä esineitä, kuten meripihkaa, hierotaan kissan turkilla, se houkutteli kevyempiä esineitä, kuten höyheniä. Thales of Miletus teki useita havaintoja staattisesta sähköstä noin 600 eaa., joista hän päätteli, että kitkaa tarvitaan, jotta meripihka pystyisi houkuttelemaan esineitä, toisin kuin mineraalit, kuten magnetiitti, joka ei tarvinnut kitkaa. Thales oli väärässä uskoessaan, että meripihkan vetovoima johtui magneettisesta vaikutuksesta, mutta myöhemmin tiede osoitti magnetismin ja sähkön välisen yhteyden. Kiistanalaisen teorian mukaan, joka perustuu vuonna 1936 löydettyyn, galvaanista kennoa muistuttavaan Bagdadin paristoon, vaikka ei ole selvää, oliko artefakti luonteeltaan sähköistä, parthialaiset saattoivat olla tietoisia galvaanisesta pinnoituksesta.

Sähkö herätti vain älyllistä uteliaisuutta vuosituhansien ajan aina vuoteen 1600 asti, jolloin englantilainen tiedemies William Gilbert teki perusteellisen tutkimuksen sähköstä ja magnetismista ja erotti "magnetiitti"-ilmiön meripihkan hankaamisen tuottamasta staattisesta sähköstä. Hän loi uuden latinan sanan electricus ("meripihka" tai "kuin meripihka", sanoista ἤλεκτρον, Elektron, kreikasta: "meripihka") kuvaamaan esineiden ominaisuutta vetää puoleensa pieniä esineitä hankaamisen jälkeen. Tämä kielellinen assosiaatio synnytti englanninkieliset sanat "electric" ja "electricity", jotka ilmestyivät ensimmäisen kerran painettuna Thomas Brownen "Pseudodoxia Epidemica" -kirjassa vuonna 1646.

Jatkotyötä suorittivat Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray ja Charles Francois Dufay. 1700-luvulla Benjamin Franklin tutki laajasti sähköä ja myi omistusosuutensa rahoittaakseen työnsä. Kesäkuussa 1752 hän kiinnitti tunnetusti metalliavaimen leijanauhan pohjaan ja laukaisi leijan myrskyiselle taivaalle. Avaimesta käden selkään hyppäävien kipinöiden sarja osoitti, että salama oli todellakin luonteeltaan sähköistä. Hän selitti myös Leyden-purkin näennäisen paradoksaalista käyttäytymistä laitteena, jolla varastoitiin suuri määrä sähkövarauksia, jotka koostuvat positiivisista ja negatiivisista varauksista.

Vuonna 1791 Luigi Galvani ilmoitti löytäneensä bioelektromagnetismin ja osoitti, että sähkö on keino, jolla neuronit välittävät signaaleja lihaksille. 1800-luvun Alessandro Volta -akku eli galvaaninen napa valmistettiin vuorottelevista sinkin ja kuparin kerroksista. Tiedemiehille se oli luotettavampi sähköenergian lähde kuin aiemmin käytetyt sähköstaattiset koneet. Sähkömagnetismin ymmärrys sähköisten ja magneettisten ilmiöiden yhtenäisyydestä johtui Oerstedistä ja André-Marie Ampèresta vuosina 1819-1820. Michael Faraday keksi sähkömoottorin vuonna 1821 ja Georg Ohm analysoi sähköpiirin matemaattisesti vuonna 1827. Sähkön ja magnetismin (ja valon) yhdisti lopullisesti James Maxwell, erityisesti teoksessaan "On Physical Lines of Force" vuosina 1861 ja 1862.

Kun 1800-luvun alussa sähkötiede kehittyi nopeasti, 1800-luvun lopulla suurin edistys tapahtui sähkötekniikan alalla. Sellaisten ihmisten kuin Alexander Graham Bell, Otto Titus Blaty, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Anjos Istvan Jedlik, William Thomson, 1st Baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Wilson Swan, Reginald Fessenden, Nikola Avustuksella Tesla ja George Westinghouse, sähkö on kehittynyt tieteellisestä uteliaisuudesta modernin elämän välttämättömäksi työkaluksi, ja siitä on tullut toisen teollisen vallankumouksen liikkeellepaneva voima.

Vuonna 1887 Heinrich Hertz havaitsi, että ultraviolettivalolla valaistut elektrodit tuottivat sähkökipinöitä helpommin kuin valaisemattomat. Vuonna 1905 Albert Einstein julkaisi paperin, jossa selitettiin kokeelliset todisteet valosähköisestä vaikutuksesta, joka johtuu valoenergian siirtymisestä erillisissä kvantisoiduissa paketeissa, jotka virittävät elektroneja. Tämä löytö johti kvanttivallankumoukseen. Einstein sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1921 "valosähköisen ilmiön lain löytämisestä". Aurinkosähköefektiä käytetään myös aurinkokennoissa, kuten aurinkopaneeleissa, ja sitä käytetään usein sähkön tuottamiseen kaupallisiin tarkoituksiin.

Ensimmäinen puolijohdelaite oli "kissan viikset" ilmaisin, jota käytettiin ensimmäisen kerran radiovastaanottimissa 1900-luvulla. Viiksimainen lanka saatetaan kevyeen kosketukseen kiinteän kiteen (esim. germaniumkiteen) kanssa radiosignaalin havaitsemiseksi kosketussiirtymävaikutuksen kautta. Puolijohdesolmussa virta johdetaan puolijohdeelementteihin ja liitäntöihin, jotka on suunniteltu erityisesti virran kytkemiseen ja vahvistamiseen. Sähkövirta voidaan esittää kahdessa muodossa: negatiivisesti varautuneiden elektronien muodossa sekä positiivisesti varautuneiden elektronien tyhjinä paikoissa (täyttämättömät elektronit paikoissa puolijohdeatomissa), joita kutsutaan reikiksi. Nämä varaukset ja reiät ymmärretään kvanttifysiikan näkökulmasta. Rakennusmateriaalina on useimmiten kiteinen puolijohde.

Puolijohdelaitteiden kehitys alkoi transistorin keksimisestä vuonna 1947. Yleisiä puolijohdelaitteita ovat transistorit, mikroprosessorisirut ja RAM-sirut. USB-muistitikuissa käytetään erityistä muistityyppiä nimeltä flash-muisti, ja viime aikoina myös mekaanisesti pyörivät kiintolevyasemat on korvattu solid-state-asemilla. Puolijohdelaitteet yleistyivät 1950- ja 1960-luvuilla siirryttäessä tyhjiöputkista puolijohdediodeihin, transistoreihin, integroituihin piireihin (IC) ja valodiodeihin (LED).

Sähkön peruskäsitteet

Sähkövaraus

Varauksen läsnäolo synnyttää sähköstaattisen voiman: varaukset kohdistavat voiman toisiinsa, tämä vaikutus tunnettiin antiikissa, vaikka sitä ei silloin ymmärretty. Nauteeseen ripustettu kevytpallo voidaan ladata koskettamalla sitä lasisauvalla, joka itse oli aiemmin ladattu hankaamalla kangasta vasten. Samanlainen pallo, joka on ladattu samalla lasisauvalla, hylkii ensimmäisen: lataus saa kaksi palloa erottumaan toisistaan. Kaksi hierotusta meripihkasta ladattua palloa hylkivät myös toisiaan. Kuitenkin, jos toinen pallo ladataan lasisauvasta ja toinen meripihkasta, molemmat pallot alkavat vetää puoleensa toisiaan. Näitä ilmiöitä tutki 1700-luvun lopulla Charles Augustin de Coulomb, joka päätteli, että varaus esiintyy kahdessa vastakkaisessa muodossa. Tämä löytö johti hyvin tunnettuun aksioomiin: samalla tavalla varautuneet esineet hylkivät ja vastakkaisesti varautuneet esineet vetävät puoleensa.

Voima vaikuttaa itse varautuneisiin hiukkasiin, joten varaus pyrkii leviämään mahdollisimman tasaisesti johtavan pinnan yli. Sähkömagneettisen voiman suuruus, olipa se houkutteleva tai hylkivä, määräytyy Coulombin lain mukaan, jonka mukaan sähköstaattinen voima on verrannollinen varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Sähkömagneettinen vuorovaikutus on erittäin vahva, se on vahvuudeltaan heikompi kuin vahva vuorovaikutus, mutta toisin kuin jälkimmäinen, se toimii millä tahansa etäisyydellä. Verrattuna paljon heikompaan gravitaatiovoimaan sähkömagneettinen voima työntää kahta elektronia 1042 kertaa enemmän kuin gravitaatiovoima vetää niitä.

Tutkimus osoitti, että varauksen lähde on tietyntyyppiset subatomiset hiukkaset, joilla on sähkövarauksen ominaisuus. Sähkövaraus synnyttää ja on vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen voiman kanssa, joka on yksi luonnon neljästä perusvoimasta. Tunnetuimmat sähkövarauksen kantajat ovat elektroni ja protoni. Koe osoitti, että varaus on säilynyt määrä, eli kokonaisvaraus eristetyn järjestelmän sisällä pysyy aina vakiona riippumatta tässä järjestelmässä tapahtuvista muutoksista. Järjestelmässä varaus voidaan siirtää kappaleiden välillä joko suoralla kosketuksella tai siirtymällä johtavan materiaalin, kuten langan, kautta. Epävirallinen termi "staattinen sähkö" tarkoittaa varauksen (tai varausten "epätasapainon") esiintymistä kehossa, joka yleensä aiheutuu erilaisten materiaalien hankautumisesta toisiaan vasten siirtäen varauksen yhdeltä toiselle.

Elektronien ja protonien varaukset ovat vastakkaisia, joten kokonaisvaraus voi olla joko positiivinen tai negatiivinen. Sopimuksen mukaan elektronien kuljettamaa varausta pidetään negatiivisena ja protonien kuljettamaa varausta positiivisena Benjamin Franklinin työn luoman perinteen mukaisesti. Varauksen määrä (sähkön määrä) on yleensä merkitty symbolilla Q ja ilmaistaan ​​kuloneina; jokaisella elektronilla on sama varaus, noin -1,6022 × 10-19 kulonia. Protonin varaus on samanarvoinen ja vastakkainen etumerkillä ja siten +1,6022 × 10-19 Coulomb. Varauksen lisäksi aineella on myös antimateria, jokaisella antihiukkasella on samansuuruinen varaus, mutta vastakkainen etumerkillä kuin vastaavan hiukkasen varaus.

Varausta voidaan mitata monella tapaa: varhainen kultalehtinen sähköskooppi, joka, vaikka sitä käytettiin vielä harjoitusesittelyissä, on nyt korvattu elektronisella elektrometrillä.

Sähkö

Sähkövarausten liikettä kutsutaan sähkövirraksi, sen intensiteetti mitataan yleensä ampeereina. Virran voivat muodostaa mitkä tahansa liikkuvat varautuneet hiukkaset; useimmiten nämä ovat elektroneja, mutta periaatteessa mikä tahansa liikkeessä oleva varaus on virtaa.

Historiallisen sopimuksen mukaan positiivinen virta määräytyy piirin positiivisemmasta osasta negatiivisempaan osaan virtaavien positiivisten varausten liikesuunnan mukaan. Tällä tavalla määritettyä virtaa kutsutaan ehdolliseksi virraksi. Yksi tunnetuimmista virran muodoista on negatiivisesti varautuneiden elektronien liike piirin läpi, jolloin virran positiivinen suunta on suunnattu vastakkaiseen suuntaan kuin elektronien liike. Olosuhteista riippuen sähkövirta voi kuitenkin koostua varautuneiden hiukkasten virrasta, joka liikkuu mihin tahansa suuntaan ja jopa molempiin suuntiin samanaikaisesti. Sääntöä, että virran positiivinen suunta on positiivisten varausten liikesuunta, käytetään laajalti tämän tilanteen yksinkertaistamiseksi.

Prosessia, jossa sähkövirta kulkee materiaalin läpi, kutsutaan sähkönjohtavuudeksi, ja sen luonne vaihtelee riippuen siitä, mitkä varautuneet hiukkaset johtavat sitä ja mistä materiaalista ne liikkuvat. Esimerkkejä sähkövirroista ovat metallin johtuminen, joka suoritetaan elektronien virtauksella johtimen, kuten metallin, läpi ja elektrolyysi, joka suoritetaan ionien (varautuneiden atomien) virtauksella nesteen tai plasman läpi, kuten sähkökipinöissä. Vaikka hiukkaset itse voivat liikkua hyvin hitaasti, joskus keskimääräisellä ajautumisnopeudella vain millimetrin murto-osa sekunnissa, niitä kuljettava sähkökenttä kulkee lähellä valonnopeutta, jolloin sähköiset signaalit kulkevat nopeasti johtojen läpi.

Virtaus aiheuttaa useita havaittavia vaikutuksia, jotka ovat historiallisesti olleet merkki sen olemassaolosta. Nicholson ja Carlisle löysivät vuonna 1800 mahdollisuuden veden hajoamiseen galvaanisesta pylväästä tulevan virran vaikutuksesta. Tätä prosessia kutsutaan nykyään elektrolyysiksi. Michael Faraday laajensi heidän työtään suuresti vuonna 1833. Vastuksen läpi kulkeva virta aiheuttaa paikallista kuumenemista. James Joule kuvasi tämän vaikutuksen matemaattisesti vuonna 1840. Yhden tärkeimmistä virtaa koskevista löydöistä teki Oersted vahingossa vuonna 1820, kun hän esitelmää valmistellessaan huomasi, että johdon läpi kulkeva virta sai magneettisen kompassin neulan kääntymään. Joten hän löysi sähkömagnetismin, perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen sähkön ja magnetismin välillä. Sähkökaaren synnyttämien sähkömagneettisten päästöjen taso on riittävän korkea synnyttääkseen sähkömagneettisia häiriöitä, jotka voivat vahingoittaa viereisten laitteiden toimintaa.Hän havaitsi sähkömagnetismin, sähkön ja magnetismin perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen. Valokaarien synnyttämien sähkömagneettisten päästöjen taso on riittävän korkea tuottamaan sähkömagneettisia häiriöitä, jotka voivat häiritä lähellä olevia laitteita.

Teknisissä tai kotitalouksissa virtaa luonnehditaan usein joko suoraksi (DC) tai vaihtovirraksi (AC). Nämä termit viittaavat siihen, kuinka virta muuttuu ajan myötä. Esimerkiksi akun tuottama tasavirta, jota useimmat elektroniset laitteet vaativat, on yksisuuntainen virtaus piirin positiivisesta potentiaalista negatiiviseen. Jos elektronit kuljettavat tätä useammin tapahtuvaa virtausta, ne liikkuvat vastakkaiseen suuntaan. Vaihtovirta on mikä tahansa virta, joka muuttaa jatkuvasti suuntaa, se on melkein aina sinimuodossa. Vaihtovirta sykkii edestakaisin johtimessa siirtämättä varausta rajallista matkaa pitkän ajan kuluessa. Vaihtovirran aikakeskiarvo on nolla, mutta se antaa energiaa ensin yhteen ja sitten vastakkaiseen suuntaan. Vaihtovirta riippuu sähköisistä ominaisuuksista, jotka eivät ilmene tasavirran kiinteässä tilassa, esimerkiksi induktanssista ja kapasitanssista. Nämä ominaisuudet voivat kuitenkin tulla käyttöön, kun piiri on alttiina transienteille, kuten alkukäynnistyksen aikana.

Sähkökenttä

Sähkökentän käsitteen esitteli Michael Faraday. Sähkökentän muodostaa varautunut kappale kehoa ympäröivään tilaan ja saa aikaan voiman, joka vaikuttaa kaikkiin muihin kentässä sijaitseviin varauksiin. Sähkökenttä vaikuttaa kahden varauksen välillä, joka on samanlainen kuin kahden massan välinen gravitaatiokenttä, ja se ulottuu myös äärettömyyteen ja on kääntäen verrannollinen kappaleiden välisen etäisyyden neliöön. Siinä on kuitenkin merkittävä ero. Painovoima aina vetää puoleensa ja saa kaksi massaa liittymään yhteen, kun taas sähkökenttä voi johtaa joko vetovoimaan tai hylkimiseen. Koska suurilla kappaleilla, kuten planeetoilla kokonaisuutena, nettovaraus on nolla, niiden sähkökenttä etäisyydellä on yleensä nolla. Siten painovoima on hallitseva voima suurilla etäisyyksillä maailmankaikkeudessa, vaikka se itse on paljon heikompi.

Sähkökenttä on pääsääntöisesti erilainen avaruuden eri pisteissä, ja sen voimakkuus missä tahansa pisteessä määritellään voimaksi (varausyksikköä kohti), jonka liikkumaton, merkityksetön varaus kokee, jos se asetetaan kyseiseen pisteeseen. Abstraktin varauksen, jota kutsutaan "testivaraukseksi", on oltava merkityksettömän arvoinen, jotta sen oma pääkenttää häiritsevä sähkökenttä voidaan jättää huomiotta, ja sen on oltava myös paikallaan (liikkumaton) magneettikenttien vaikutuksen estämiseksi. Koska sähkökenttä määritellään voimalla ja voima on vektori, niin sähkökenttä on myös vektori, jolla on sekä suuruus että suunta. Tarkemmin sanottuna sähkökenttä on vektorikenttä.

Kiinteiden varausten synnyttämien sähkökenttien oppia kutsutaan sähköstaattiseksi. Kenttä voidaan visualisoida joukolla kuvitteellisia viivoja, joiden suunta missä tahansa avaruuden pisteessä on sama kuin kentän suunta. Tämän käsitteen esitteli Faraday, ja termiä "voimalinjat" kohdataan edelleen toisinaan. Kenttäviivat ovat polkuja, joita pitkin pistepositiivinen varaus liikkuu kentän vaikutuksesta. Ne ovat kuitenkin abstrakteja, eivät fyysisiä esineitä, ja kenttä läpäisee kaiken rivien välisen välitilan. Kiinteistä varauksista lähtevillä kenttäviivoilla on useita keskeisiä ominaisuuksia: ensinnäkin ne alkavat positiivisiin varauksiin ja päättyvät negatiivisiin varauksiin; toiseksi niiden täytyy mennä mihin tahansa ihanteelliseen johtimeen suorassa kulmassa (normaali), ja kolmanneksi, ne eivät koskaan leikkaa ja sulkeudu itseensä.

Ontto johtava kappale sisältää kaiken varauksensa ulkopinnallaan. Siksi kenttä on yhtä suuri kuin nolla kaikissa paikoissa kehon sisällä. Faradayn häkki toimii tällä periaatteella - metallikuori, joka eristää sen sisäisen tilan ulkoisilta sähköisiltä vaikutuksilta.

Sähköstaattiset periaatteet ovat tärkeitä suurjännitelaitteiden elementtien suunnittelussa. Sähkökentän voimakkuudella on rajallinen raja, jota mikä tahansa materiaali voi ylläpitää. Tämän arvon yläpuolella tapahtuu sähkökatkos, joka aiheuttaa sähkökaaren varattujen osien väliin. Esimerkiksi ilmassa sähkökatkos tapahtuu pienissä rakoissa, joiden sähkökentän voimakkuus ylittää 30 kV senttimetriä kohti. Raon kasvaessa murtolujuus pienenee noin 1 kV:iin senttimetriä kohti. Merkittävin tällainen luonnonilmiö on salama. Se tapahtuu, kun pilvissä varaukset erotetaan nousevilla ilmapylväillä ja ilmassa oleva sähkökenttä alkaa ylittää hajoamisarvon. Suuren ukkospilven jännite voi olla 100 MV ja purkausenergian arvo 250 kWh.

Kentänvoimakkuuden suuruuteen vaikuttavat voimakkaasti lähellä olevat johtavat kohteet, ja voimakkuus on erityisen suuri, kun kenttä joutuu taipumaan terävien esineiden ympärille. Tätä periaatetta käytetään ukkosenjohtimissa, joiden terävät tornit pakottavat salaman purkautumaan niihin mieluummin kuin niiden suojaamiin rakennuksiin.

Sähköinen potentiaali

Sähköpotentiaalin käsite liittyy läheisesti sähkökenttään. Sähkökenttään asetettu pieni varaus kokee voiman, ja varauksen siirtämiseksi tätä voimaa vastaan ​​tarvitaan työtä. Sähköpotentiaali missä tahansa pisteessä määritellään energiaksi, joka tarvitaan siirtämään yksikkötestivaraus erittäin hitaasti äärettömästä siihen pisteeseen. Potentiaalia mitataan yleensä voltteina, ja yhden voltin potentiaali on potentiaali, jossa yksi joule työtä on käytettävä yhden varauskulon siirtämiseksi äärettömyydestä. Tällä muodollisella potentiaalin määritelmällä on vähän käytännön hyötyä, ja hyödyllisempi on käsite sähköinen potentiaaliero, eli energia, joka tarvitaan siirtämään varausyksikköä kahden tietyn pisteen välillä. Sähkökentällä on yksi ominaisuus, se on konservatiivinen, mikä tarkoittaa, että testivarauksen kulkemalla reitillä ei ole väliä: kaikkien mahdollisten polkujen kulkeminen kahden tietyn pisteen välillä vie aina saman energian, ja siten on yksi arvo kahden asennon väliset potentiaalierot. Voltti on vakiintunut niin vahvasti sähköpotentiaalin eron mitta- ja kuvausyksikkönä, että termiä jännite käytetään laajalti ja joka päivä.

Käytännön syistä on hyödyllistä määritellä yhteinen viitepiste, jota vastaan ​​potentiaalia voidaan ilmaista ja verrata. Vaikka se voi olla äärettömässä, on paljon käytännöllisempää käyttää itse maapalloa nollapotentiaalina, jonka oletetaan olevan samassa potentiaalissa kaikkialla. Tätä vertailupistettä kutsutaan tietysti "maaksi" (maaksi). Maa on ääretön lähde yhtä suurelle määrälle positiivisia ja negatiivisia varauksia ja on siksi sähköisesti neutraali ja latautumaton.

Sähköpotentiaali on skalaarisuure, eli sillä on vain arvo eikä suuntaa. Sitä voidaan pitää analogisena korkeuden kanssa: aivan kuten irrotettu esine putoaa gravitaatiokentän aiheuttaman korkeuseron takia, niin varaus "putoaa" sähkökentän aiheuttaman jännitteen vuoksi. Aivan kuten kartat esittävät maastoa ääriviivaviivojen avulla, jotka yhdistävät yhtä korkeita pisteitä, joukko viivoja, jotka yhdistävät samanpotentiaalisia pisteitä (tunnetaan nimellä ekvipotentiaalit), voidaan piirtää sähköstaattisesti varautuneen kohteen ympärille. Tasapotentiaalit leikkaavat kaikki voimalinjat suorassa kulmassa. Niiden on myös sijaittava samansuuntaisesti johtimen pinnan kanssa, muuten syntyy voima, joka siirtää varauksenkuljettajia pitkin johtimen ekvipotentiaalipintaa.

Sähkökenttä määritellään muodollisesti voimaksi, joka kohdistuu varausyksikköä kohti, mutta potentiaalin käsite tarjoaa hyödyllisemmän ja vastaavan määritelmän: sähkökenttä on paikallinen sähköpotentiaaligradientti. Pääsääntöisesti se ilmaistaan ​​voltteina metriä kohti, ja kenttävektorin suunta on suurimman potentiaalinmuutoksen viiva, eli toisen ekvipotentiaalin lähimmän sijainnin suuntaan.

sähkömagneetit

Oerstedin vuonna 1821 tekemä löytö tosiasiasta, että sähkövirtaa kuljettavan johtimen ympärillä on magneettikenttä, osoitti, että sähkön ja magnetismin välillä oli suora yhteys. Lisäksi vuorovaikutus vaikutti erilaiselta gravitaatio- ja sähköstaattisista voimista, kahdesta silloin tunnetusta luonnonvoimasta. Voima vaikutti kompassin neulaan, ei virtajohtoa kohti tai siitä poispäin, vaan suorassa kulmassa siihen nähden. Hieman epäselvin sanoin "sähkökonfliktilla on pyörivä käyttäytyminen" Oersted ilmaisi havaintonsa. Tämä voima riippui myös virran suunnasta, sillä jos virta muutti suuntaa, niin myös magneettinen voima muutti sitä.

Oersted ei täysin ymmärtänyt löytöään, mutta hänen havaitsemansa vaikutus oli molemminpuolinen: virta kohdistaa voiman magneettiin ja magneettikenttä kohdistaa voiman virtaan. Ilmiötä tutki edelleen Ampère, joka havaitsi, että kaksi rinnakkaista virtaa kuljettavaa johtoa kohdistavat voiman toisiinsa: kaksi johdinta, jotka kuljettavat virtoja samaan suuntaan, vetävät toisiaan puoleensa, kun taas toisistaan ​​vastakkaisiin suuntiin virtaa sisältävät johdot hylkivät toisiaan. . Tämä vuorovaikutus tapahtuu kunkin virran luoman magneettikentän kautta, ja tämän ilmiön perusteella määritetään virran yksikkö - Ampere kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä.

Tämä magneettikenttien ja virtojen välinen suhde on erittäin tärkeä, koska se johti Michael Faradayn sähkömoottorin keksimiseen vuonna 1821. Hänen yksinapainen moottori koostui kestomagneetista, joka oli sijoitettu elohopeaastiaan. Virta johdettiin langan läpi, joka oli ripustettu magneetin yläpuolelle saranoituun ripustukseen ja upotettu elohopeaan. Magneetti kohdistaa lankaan tangentiaalisen voiman, joka sai sen pyörimään magneetin ympäri niin kauan kuin virtaa ylläpidettiin johdossa.

Faradayn vuonna 1831 tekemä koe osoitti, että magneettikenttää kohtisuoraan liikkuva lanka loi potentiaalieron päihin. Tämän sähkömagneettisena induktiona tunnetun prosessin lisäanalyysi antoi hänelle mahdollisuuden muotoilla periaatteen, joka tunnetaan nykyään Faradayn induktiolaina, että suljetussa piirissä indusoituva potentiaaliero on verrannollinen piirin tunkeutuvan magneettivuon muutosnopeuteen. Tämän löydön kehitys antoi Faradaylle mahdollisuuden keksiä vuonna 1831 ensimmäisen sähkögeneraattorin, joka muuntaa pyörivän kuparilevyn mekaanisen energian sähköenergiaksi. Faraday-levy oli tehoton eikä sitä käytetty käytännöllisenä generaattorina, mutta se osoitti mahdollisuuden tuottaa sähköä magnetismin avulla, ja hänen kehitystään seuranneet tarttuivat tähän mahdollisuuteen.

Kemiallisten reaktioiden kyvyllä tuottaa sähköä ja päinvastoin sähkön kyvyllä tuottaa kemiallisia reaktioita on laaja valikoima sovelluksia.

Sähkökemia on aina ollut tärkeä osa sähköntutkimusta. Alkuperäisestä voltaic-kolonnin keksinnöstä galvaaniset kennot ovat kehittyneet monenlaisiksi akkutyypeiksi, galvaanisiksi ja elektrolyysikennoiksi. Alumiinia tuotetaan suuria määriä elektrolyysillä, ja monet kannettavat elektroniset laitteet käyttävät ladattavia virtalähteitä.

Sähköpiirit

Sähköpiiri on sähkökomponenttien kytkentä siten, että suljettua polkua (piiriä) pitkin kulkemaan pakotettu sähkövaraus suorittaa yleensä useita hyödyllisiä tehtäviä.

Sähköpiirin komponentit voivat olla monimuotoisia, toimien elementteinä, kuten vastuksina, kondensaattoreina, kytkiminä, muuntajina ja elektronisina komponentteina. Elektroniset piirit sisältävät aktiivisia komponentteja, kuten puolijohteita, jotka tyypillisesti toimivat epälineaarisesti ja vaativat monimutkaisen analyysin soveltamista niihin. Yksinkertaisimmat sähkökomponentit ovat passiivisia ja lineaarisia: vaikka ne voivat varastoida energiaa tilapäisesti, ne eivät sisällä energialähteitä ja toimivat lineaarisesti.

Vastus on ehkä yksinkertaisin passiivisista piirielementeistä: kuten sen nimi kertoo, se vastustaa sen läpi kulkevaa virtaa ja haihduttaa sähköenergiaa lämpönä. Resistanssi on seurausta varauksen liikkeestä johtimen läpi: esimerkiksi metalleissa vastus johtuu ensisijaisesti elektronien ja ionien törmäyksistä. Ohmin laki on piiriteorian peruslaki, ja se sanoo, että vastuksen läpi kulkeva virta on suoraan verrannollinen sen läpi kulkevaan potentiaalieroon. Useimpien materiaalien vastus on suhteellisen vakio laajalla lämpötila- ja virta-alueella; Nämä ehdot täyttäviä materiaaleja kutsutaan "ohmisiksi". Ohmi on Georg Ohmin mukaan nimetty vastuksen yksikkö ja sitä merkitään kreikkalaisella kirjaimella Ω. 1 ohm on vastus, joka luo yhden voltin potentiaalieron, kun sen läpi johdetaan yhden ampeerin virta.

Kondensaattori on Leyden-purkin päivitys ja laite, joka voi varastoida varausta ja siten kerätä sähköenergiaa syntyvään kenttään. Se koostuu kahdesta johtavasta levystä, jotka on erotettu ohuella eristävällä dielektrisellä kerroksella; käytännössä se on pari ohuita metallikalvoliuskoja, jotka on kierretty yhteen lisäämään pinta-alaa tilavuusyksikköä kohti ja siten kapasitanssia. Kapasitanssin yksikkö on Michael Faradayn mukaan nimetty faradi, joka on merkitty symbolilla F: yksi farad on kapasitanssi, joka muodostaa yhden voltin potentiaalieron tallennettaessa yhden kulon varausta. Virta kulkee ensin virtalähteeseen kytketyn kondensaattorin läpi, koska varaus kerääntyy kondensaattoriin; tämä virta kuitenkin pienenee kondensaattorin latautuessa ja tulee lopulta nollaan. Kondensaattori ei siis läpäise tasavirtaa, vaan estää sen.

Induktanssi on johdin, yleensä lankakela, joka varastoi energiaa magneettikenttään, joka syntyy, kun virta kulkee sen läpi. Kun virta muuttuu, myös magneettikenttä muuttuu, jolloin johtimen päiden väliin syntyy jännite. Indusoitu jännite on verrannollinen virran muutosnopeuteen. Suhteellisuuskerrointa kutsutaan induktiiviseksi. Induktanssin yksikkö on henry, joka on nimetty Faradayn aikalaisen Joseph Henryn mukaan. Yhden Henryn induktanssi on induktanssi, joka aiheuttaa yhden voltin potentiaalieron sen läpi kulkevan virran muutosnopeudella, joka on yksi ampeeri sekunnissa. Induktorin käyttäytyminen on päinvastainen kuin kondensaattorin: se kulkee vapaasti tasavirran läpi ja estää nopeasti muuttuvan virran.

Sähkövoima

Sähköteho on nopeus, jolla sähköpiiri siirtää sähköä. Tehon SI-yksikkö on watti, joka on yhtä joulea sekunnissa.

Sähköteho, kuten mekaaninen teho, on työntekonopeus, mitattuna watteina ja merkitty kirjaimella P. Termi virrankulutus tarkoittaa puhekielessä "sähkötehoa watteina". Sähkövirran I tuottama sähköteho watteina, joka on yhtä suuri kuin varauksen Q coulomb kulku t sekunnin välein sähköpotentiaalieron (jännitteen) V läpi on

P = QV/t = IV

• Q - sähkövaraus kuloneina
• t - aika sekunteina
• I - sähkövirta ampeereina
• V - sähköpotentiaali tai jännite voltteina

Sähköntuotantoa tuotetaan usein sähkögeneraattoreilla, mutta sitä voidaan tuottaa myös kemiallisilla lähteillä, kuten sähköakuilla, tai muilla tavoilla, joissa käytetään monenlaisia ​​energialähteitä. Yrityksille ja kotitalouksille toimitetaan sähköä yleensä sähkölaitoksilta. Sähkö laskutetaan yleensä kilowattitunnilta (3,6 MJ), joka on tuotettu teho kilowatteina kerrottuna käyttöajalla tunneissa. Sähköteollisuudessa tehomittaukset tehdään sähkömittareilla, jotka muistavat asiakkaalle luovutetun kokonaissähkön määrän. Toisin kuin fossiiliset polttoaineet, sähkö on alhaisen entropian energiamuoto, ja se voidaan muuntaa liikeenergiaksi tai moneksi muuksi energiaksi suurella hyötysuhteella.

Elektroniikka

Elektroniikka käsittelee sähköpiirejä, joihin kuuluvat aktiiviset sähkökomponentit, kuten tyhjiöputket, transistorit, diodit ja integroidut piirit sekä niihin liittyvät passiiviset ja kytkentäelementit. Aktiivisten komponenttien epälineaarinen käyttäytyminen ja kyky ohjata elektronivirtaa mahdollistavat heikkojen signaalien vahvistamisen ja elektroniikan laajan käytön tiedonkäsittelyssä, tietoliikenteessä ja signaalinkäsittelyssä. Elektronisten laitteiden kyky toimia kytkiminä mahdollistaa tietojen digitaalisen käsittelyn. Kytkentäelementit, kuten painetut piirilevyt, pakkausteknologiat ja monet muut viestintäinfrastruktuurin muodot, täydentävät piirin toimivuutta ja muuttavat erilaiset komponentit normaaliksi toimivaksi järjestelmäksi.

Nykyään useimmat elektroniset laitteet käyttävät puolijohdekomponentteja elektronisen ohjauksen toteuttamiseen. Puolijohdelaitteiden ja niihin liittyvien teknologioiden tutkimusta pidetään puolijohdefysiikan alana, kun taas elektronisten piirien suunnittelu ja rakentaminen käytännön ongelmien ratkaisemiseksi kuuluu elektroniikan alaan.

Elektromagneettiset aallot

Faradayn ja Ampèren työ osoitti, että ajassa muuttuva magneettikenttä synnytti sähkökentän, ja ajassa muuttuva sähkökenttä oli magneettikentän lähde. Siten, kun yksi kenttä muuttuu ajan myötä, toinen kenttä indusoituu aina. Tällaisella ilmiöllä on aalto-ominaisuuksia ja sitä kutsutaan luonnollisesti sähkömagneettiseksi aalloksi. James Maxwell analysoi sähkömagneettiset aallot teoreettisesti vuonna 1864. Maxwell kehitti joukon yhtälöitä, jotka voisivat yksiselitteisesti kuvata sähkökentän, magneettikentän, sähkövarauksen ja sähkövirran välistä suhdetta. Hän pystyi myös todistamaan, että tällainen aalto välttämättä etenee valon nopeudella, joten valo itsessään on sähkömagneettisen säteilyn muoto. Valon, kenttien ja varauksen yhdistävien Maxwellin lakien kehittäminen on yksi teoreettisen fysiikan historian tärkeimmistä vaiheista.

Näin ollen monien tutkijoiden työ on mahdollistanut elektroniikan avulla signaalien muuntamisen suurtaajuisiksi värähtelyvirroiksi, ja sopivan muotoisten johtimien kautta sähkö mahdollistaa näiden signaalien lähettämisen ja vastaanottamisen radioaaltojen kautta hyvin pitkiä matkoja.

Sähköenergian tuotanto ja käyttö

Sähkövirran tuottaminen ja siirto

6-luvulla eKr e. Kreikkalainen filosofi Thales Miletoslainen kokeili meripihkan sauvoja, ja nämä kokeet olivat ensimmäiset tutkimukset sähköenergian tuotannon alalla. Vaikka tämä menetelmä, joka tunnetaan nykyään tribosähköisenä efektinä, pystyi vain nostamaan kevyitä esineitä ja synnyttämään kipinöitä, se oli erittäin tehoton. Kun jännitenapa keksittiin 1700-luvulla, käyttökelpoinen sähkönlähde tuli saataville. Voltaic-pylväs ja sen nykyaikainen jälkeläinen, sähköakku, varastoi energiaa kemiallisessa muodossa ja vapauttaa sitä sähköenergiana tarpeen mukaan. Akku on monipuolinen ja hyvin yleinen virtalähde, joka sopii moneen käyttöön, mutta siihen varastoitunut energia on rajallinen ja kun se on käytetty loppuun, akku on hävitettävä tai ladattava uudelleen. Suuria tarpeita varten sähköenergiaa on tuotettava ja siirrettävä jatkuvasti johtavien voimalinjojen kautta.

Sähköä tuotetaan tyypillisesti sähkömekaanisilla generaattoreilla, joita käytetään fossiilisten polttoaineiden palamisesta syntyvällä höyryllä tai ydinreaktioiden lämmöllä; tai muista lähteistä, kuten tuulesta tai juoksevasta vedestä saatu kineettinen energia. Sir Charles Parsonsin vuonna 1884 kehittämä moderni höyryturbiini tuottaa nykyään noin 80 prosenttia maailman sähköstä erilaisilla lämmönlähteillä. Tällaiset oskillaattorit eivät muistuta Faradayn vuoden 1831 yksinapaista levyoskillaattoria, mutta ne luottavat silti hänen sähkömagneettiseen periaatteeseen, jonka mukaan johdin lukittuessaan muuttuvaan magneettikenttään indusoi päissään potentiaalieron. Muuntajan keksintö 1800-luvun lopulla tarkoitti sitä, että sähköenergiaa pystyttiin siirtämään tehokkaammin korkeammalla jännitteellä mutta pienemmällä virralla. Tehokas sähkönsiirto tarkoittaa puolestaan ​​sitä, että sähköä voidaan tuottaa mittakaavaetuja hyödyntäen keskitetyissä voimalaitoksissa ja siirtää sitten suhteellisen pitkiä matkoja sinne, missä sitä tarvitaan.

Koska sähköenergiaa ei voida helposti varastoida niin paljon, että se kattaisi valtakunnallisen tarpeen, sitä on tuotettava milloin tahansa sen verran kuin sitä tällä hetkellä tarvitaan. Tämä velvoittaa voimalaitokset ennakoimaan huolellisesti sähkökuormituksensa ja jatkuvasti koordinoimaan näitä tietoja voimalaitosten kanssa. Osa tuotantokapasiteetista tulee aina pitää varassa sähköverkon turvaverkkona sähkön kysynnän jyrkän kasvun varalta.

Sähkön kysyntä kasvaa kovaa vauhtia maan modernisoituessa ja taloutensa kehittyessä. Yhdysvalloissa kysyntä kasvoi 12 prosenttia joka vuosi 1900-luvun kolmen ensimmäisen vuosikymmenen aikana. Tämä kasvuvauhti näkyy tällä hetkellä kehittyvissä talouksissa, kuten Intiassa tai Kiinassa. Historiallisesti sähkön kysynnän kasvuvauhti on ylittänyt muiden energiamuotojen kysynnän kasvuvauhdin.

Sähköntuotantoon liittyvät ympäristöasiat ovat johtaneet siihen, että uusiutuvista lähteistä, erityisesti tuuli- ja vesivoimaloista, sähköntuotantoon on kiinnitetty entistä enemmän huomiota. Vaikka eri sähköntuotantotapojen ympäristövaikutuksista voidaan odottaa jatkuvaa keskustelua, sen lopullinen muoto on suhteellisen puhdas.

Sähkön käyttötavat

Sähkön siirto on erittäin kätevä tapa siirtää energiaa, ja sitä on mukautettu valtavaan ja kasvavaan määrään sovelluksia. Käytännön hehkulamppujen keksiminen 1870-luvulla johti siihen, että valaistus oli yksi ensimmäisistä massasaatavista sähkön käyttötavoista. Vaikka sähköistykseen liittyi omat riskinsä, avoliekin kaasuvalaistuksen uusiminen vähensi suuresti palovaaraa kodeissa ja tehtaissa. Moniin kaupunkeihin on perustettu julkisia laitoksia palvelemaan kasvavia sähkövalaistusmarkkinoita.

Joule-lämmitysvastusvaikutusta käytetään hehkulamppujen filamenteissa, ja se löytyy myös suoremmin sähkölämmitysjärjestelmistä. Vaikka tämä lämmitystapa on monipuolinen ja hallittavissa, sitä voidaan pitää tuhlaavana, sillä useimmat sähköntuotantotavat edellyttävät jo lämpöenergian tuotantoa voimalaitoksessa. Useat maat, kuten Tanska, ovat antaneet lakeja, jotka rajoittavat tai kieltävät resistiivisen sähkölämmityksen käytön uusissa rakennuksissa. Sähkö on kuitenkin edelleen erittäin käytännöllinen energianlähde lämmitykseen ja jäähdytykseen. Ilmastointilaitteet tai lämpöpumput edustavat kasvavaa lämmitys- ja jäähdytyssähkön kysyntäsektoria, jonka seurauksia laitosten on yhä enemmän otettava huomioon.

Sähköä käytetään televiestinnässä, ja itse asiassa sähköinen lennätin, jonka Cook ja Wheatstone esittelivät kaupallisesti vuonna 1837, oli yksi varhaisimmista sähköisistä tietoliikennesovelluksista. Kun ensimmäiset mannertenväliset ja sitten transatlanttiset lennätinjärjestelmät rakennettiin 1860-luvulla, sähkö mahdollisti kommunikoinnin muutamassa minuutissa koko maapallon kanssa. Kuituoptiikka ja satelliittiviestintä ovat ottaneet osaa viestintämarkkinoihin, mutta sähkön voidaan olettaa pysyvän tärkeänä osana tätä prosessia.

Sähkömagnetismin vaikutusten ilmeisin käyttö tapahtuu sähkömoottorissa, joka on puhdas ja tehokas käyttövoima. Kiinteälle moottorille, kuten vinssille, on helppo antaa tehoa, mutta mobiilisovelluksen, kuten sähköajoneuvon, moottorin on joko siirrettävä mukana virtalähteitä, kuten akkuja, tai kerättävä virtaa liukukoskettimella, joka tunnetaan ns. virroitin.

Elektronisissa laitteissa käytetään transistoria, joka on ehkä yksi 1900-luvun tärkeimmistä keksinnöistä, joka on kaikkien nykyaikaisten piirien perusrakennuspalikka. Nykyaikainen integroitu piiri voi sisältää useita miljardeja miniatyrisoituja transistoreita vain muutaman neliösenttimetrin alueella.

Sähköä käytetään myös joukkoliikenteen polttoaineena, mukaan lukien sähköbussit ja -junat.

Sähkön vaikutus eläviin organismeihin

Sähkövirran vaikutus ihmiskehoon

Ihmiskehoon kohdistettu jännite saa sähkövirran kulkemaan kudosten läpi, ja vaikka tämä suhde on epälineaarinen, mitä enemmän jännitettä käytetään, sitä enemmän virtaa se indusoi. Havaintokynnys vaihtelee syöttötaajuudesta ja virran sijainnista riippuen, verkkotaajuussähkön osalta se on noin 0,1 mA - 1 mA, vaikka jopa yhden mikroampeerin pienet virrat voidaan havaita sähkövärähtelyn vaikutuksena tietyissä olosuhteissa. ehdot. Jos virta on riittävän suuri, se voi aiheuttaa lihasten supistumista, sydämen rytmihäiriöitä ja kudosten palovammoja. Erityisen vaarallista sähköä tekee siitä, että johtimessa ei ole näkyviä merkkejä. Sähköiskun aiheuttama kipu voi olla voimakasta, mikä johtaa siihen, että sähköä käytetään joskus kidutuskeinona. Sähköiskulla toteutettua kuolemanrangaistusta kutsutaan sähkötuolissa tapahtuvaksi teloitukseksi (sähköiskuksi). Sähköisku on edelleen eräissä maissa oikeudellisen rangaistuksen muoto, vaikka sen käyttö on viime aikoina harventunut.

Sähköiset ilmiöt luonnossa

Sähkö ei ole ihmisen keksintö, sitä voi havaita monissa muodoissa luonnossa, jonka merkittävä ilmentymä on salama. Monet makroskooppisella tasolla tutut vuorovaikutukset, kuten kosketus, kitka tai kemiallinen sidos, johtuvat atomitason sähkökenttien välisistä vuorovaikutuksista. Maan magneettikentän uskotaan johtuvan luonnollisesta kiertävien virtojen tuotannosta planeetan ytimessä. Jotkut kiteet, kuten kvartsi tai jopa sokeri, pystyvät luomaan potentiaalieron pinnoilleen, kun ne altistetaan ulkoiselle paineelle. Pierre ja Jacques Curie löysivät vuonna 1880 tämän ilmiön, joka tunnetaan nimellä pietsosähköisyys kreikan sanasta piezein (πιέζειν), joka tarkoittaa "puristaa". Tämä vaikutus on palautuva, ja kun pietsosähköiseen materiaaliin kohdistuu sähkökenttä, sen fysikaaliset mitat muuttuvat hieman.

Jotkut organismit, kuten hait, pystyvät havaitsemaan sähkökenttien muutoksia ja reagoimaan niihin. Tämä kyky tunnetaan nimellä sähkövastaanotto. Samanaikaisesti muut eliöt, joita kutsutaan elektrogeenisiksi, pystyvät synnyttämään itse jännitteitä, mikä toimii niitä puolustavana tai saalistusaseena. Hymniformes-lajin kalat, joista sähköankerias on tunnetuin jäsen, voivat havaita tai tainnuttaa saaliinsa käyttämällä sähkösyyteiksi kutsuttujen mutatoituneiden lihassolujen tuottamaa korkeajännitettä. Kaikki eläimet välittävät tietoa solukalvojen läpi jänniteimpulsseilla, joita kutsutaan toimintapotentiaaliksi, joiden tehtävänä on tarjota hermostolle yhteys hermosolujen ja lihasten välillä. Sähköisku stimuloi tätä järjestelmää ja aiheuttaa lihasten supistumista. Toimintapotentiaalit vastaavat myös tiettyjen laitosten toiminnan koordinoinnista.

Vuonna 1850 William Gladstone kysyi tiedemieheltä Michael Faradaylta, mikä sähkön arvo on. Faraday vastasi: "Jonain päivänä, sir, voitte verottaa häntä."

1800- ja 1900-luvun alussa sähkö ei ollut osa monien ihmisten jokapäiväistä elämää edes teollistuneessa länsimaissa. Sen vuoksi sen ajan suosittu kulttuuri kuvasi hänet usein salaperäisenä, näennäisesti maagisena voimana, joka voi tappaa eläviä, herättää kuolleita tai muuten muuttaa luonnonlakeja. Tämä näkemys alkoi hallita Galvanin kokeissa vuonna 1771, joissa kuolleiden sammakon jalkojen osoitettiin nykivän, kun eläinsähköä käytettiin. Näennäisesti kuolleiden tai hukkuneiden "herättämisestä" tai elvyttämisestä raportoitiin lääketieteellisessä kirjallisuudessa pian Galvanin työn jälkeen. Nämä raportit tulivat Mary Shelleyn tietoon, kun hän ryhtyi kirjoittamaan Frankensteinia (1819), vaikka hän ei viittaakaan sellaiseen tapaan herättää hirviö henkiin. Hirviöiden elvyttämisestä sähköllä tuli myöhemmin kuuma aihe kauhuelokuvissa.

Kun yleisön tuntemus sähköstä syveni toisen teollisen vallankumouksen elinvoimana, sen omistajat näytettiin useammin positiivisessa valossa, kuten sähköasentajat, joista Rudyard Kiplingin vuoden 1907 runossa sanotaan "kuolema hanskojen läpi väreilee sormiaan lankoja kutoaessa". vuosi "Martan pojat". Erilaiset sähkökäyttöiset ajoneuvot olivat näkyvästi esillä Jules Vernen ja Tom Swiftin seikkailutarinoissa. Sähköalan ammattilaisia, olivatpa ne sitten fiktioita tai todellisia, mukaan lukien Thomas Edisonin, Charles Steinmetzin tai Nikola Teslan kaltaiset tiedemiehet, pidettiin laajalti taikureina, joilla oli taikuutta.

Kun sähkö lakkasi olemasta uutuus ja tuli arjen välttämättömyyteen 1900-luvun toisella puoliskolla, se sai populaarikulttuurin erityishuomiota vasta silloin, kun se lakkasi virtaamasta, mikä oli yleensä katastrofimerkki. Hänen tuloaan tukeneet ihmiset, kuten Jimmy Webbin Wichita Fixerin (1968) nimetön sankari, esiteltiin yhä useammin sankarillisina ja maagisina hahmoina.

Ennen kuin jatkat sähköön liittyvää työtä, on tässä asiassa "tietävä" hieman teoreettisesti. Yksinkertaisesti sanottuna sähköllä tarkoitetaan yleensä elektronien liikettä sähkömagneettisen kentän vaikutuksen alaisena. Tärkeintä on ymmärtää, että sähkö on pienimpien varautuneiden hiukkasten energiaa, jotka liikkuvat johtimien sisällä tiettyyn suuntaan.

DC käytännössä ei muuta sen suuntaa ja suuruutta ajassa. Oletetaan, että perinteisessä akussa on tasavirtaa. Sitten lataus virtaa miinuksesta plussaan, ei muutu ennen kuin se loppuu.

Vaihtovirta- tämä on virta, joka muuttaa suuntaa ja suuruutta tietyllä jaksollisuudella.

Ajattele virtaa putken läpi virtaavana vesivirtana. Tietyn ajan kuluttua (esimerkiksi 5 s) vesi ryntää yhteen suuntaan, sitten toiseen. Virralla tämä tapahtuu paljon nopeammin - 50 kertaa sekunnissa (taajuus 50 Hz). Yhden värähtelyjakson aikana virta nousee maksimiin, kulkee sitten nollan läpi, ja sitten tapahtuu käänteinen prosessi, mutta eri etumerkillä. Kysyttäessä, miksi näin tapahtuu ja miksi tällaista virtaa tarvitaan, voidaan vastata, että vaihtovirran vastaanottaminen ja lähettäminen on paljon helpompaa kuin tasavirta.

Vaihtovirran vastaanotto ja lähettäminen liittyy läheisesti laitteeseen, kuten muuntajaan. Vaihtovirtaa tuottava generaattori on rakenteeltaan paljon yksinkertaisempi kuin tasavirtageneraattori. Lisäksi vaihtovirta soveltuu parhaiten voimansiirtoon pitkiä matkoja. Sen avulla energiaa kuluu vähemmän.

Muuntajan (erityinen kelojen muodossa oleva laite) avulla vaihtovirta muunnetaan pienjännitteestä korkeajännitteeksi ja päinvastoin, kuten kuvassa. Tästä syystä useimmat laitteet toimivat verkossa, jossa virta on vaihtuva. Tasavirtaa käytetään kuitenkin myös melko laajasti - kaikentyyppisissä akuissa, kemianteollisuudessa ja joillakin muilla aloilla.

Monet ovat kuulleet sellaisia ​​salaperäisiä sanoja kuin yksi vaihe, kolme vaihetta, nolla, maa tai maa, ja he tietävät, että nämä ovat tärkeitä käsitteitä sähkön maailmassa. Kaikki eivät kuitenkaan ymmärrä, mitä he tarkoittavat ja mikä suhde heillä on ympäröivään todellisuuteen. Se on kuitenkin pakko tietää. Menemättä teknisiin yksityiskohtiin, joita kodin isäntä ei tarvitse, voimme sanoa, että kolmivaiheinen verkko on menetelmä sähkövirran siirtämiseksi, kun vaihtovirta kulkee kolmen johdon läpi ja palaa yksi kerrallaan. Yllä oleva vaatii hieman selvennystä. Mikä tahansa sähköpiiri koostuu kahdesta johdosta. Virta menee yksi kerrallaan kuluttajalle (esimerkiksi kattilaan) ja toisella se palaa takaisin. Jos tällainen piiri avataan, virta ei kulje. Siinä koko yksivaiheisen piirin kuvaus.

Johtoa, jonka läpi virta kulkee, kutsutaan vaiheeksi tai yksinkertaisesti vaiheeksi ja jonka kautta se palaa - nolla tai nolla. Kolmivaiheinen piiri koostuu kolmesta vaihejohdosta ja yhdestä paluusta. Tämä on mahdollista, koska vaihtovirran vaihe kussakin kolmessa johdossa on siirtynyt viereiseen 120 °C:een. Sähkömekaniikan oppikirja auttaa vastaamaan tähän kysymykseen yksityiskohtaisemmin. Vaihtovirran siirto tapahtuu täsmälleen kolmivaiheisten verkkojen avulla. Tämä on taloudellisesti hyödyllistä - kahta lisää nollajohtoa ei tarvita.

Kuluttajaa lähestyttäessä virta jaetaan kolmeen vaiheeseen, joista jokaiselle annetaan nolla. Joten hän pääsee asuntoihin ja taloihin. Vaikka joskus kolmivaiheinen verkko tuodaan suoraan taloon. Yleensä puhumme yksityisestä sektorista, ja tällä asiaintilalla on hyvät ja huonot puolensa. Tästä keskustellaan myöhemmin. Maadoitus tai oikeammin maadoitus on kolmas johto yksivaiheisessa verkossa. Pohjimmiltaan se ei kanna työtaakkaa, vaan toimii eräänlaisena sulakkeena. Tämä voidaan selittää esimerkillä. Jos sähkö menee käsistä (esimerkiksi oikosulku), on olemassa tulipalon tai sähköiskun vaara. Tämän estämiseksi (eli virran arvo ei saa ylittää ihmisille ja laitteille turvallista tasoa) otetaan käyttöön maadoitus. Tämän johdon kautta ylimääräinen sähkö menee kirjaimellisesti maahan.

Vielä yksi esimerkki. Oletetaan, että pesukoneen sähkömoottorin toiminnassa tapahtui pieni vika ja osa sähkövirrasta putoaa laitteen ulompaan metallikuoreen. Jos maadoitusta ei ole, tämä lataus vaeltelee pesukoneen ympärillä. Kun henkilö koskettaa sitä, hänestä tulee heti tämän energian kätevin ulostulo, eli hän saa sähköiskun. Jos tässä tilanteessa on maadoitusjohto, ylimääräinen varaus valuu sen läpi vahingoittamatta ketään. Lisäksi voidaan sanoa, että nollajohdin voi olla myös maadoitettu ja periaatteessa se onkin, mutta vain voimalaitoksella. Tilanne, jossa talossa ei ole maadoitusta, on vaarallinen. Kuinka käsitellä sitä muuttamatta kaikkia talon johdotuksia, kuvataan myöhemmin.

Huomio!

Jotkut käsityöläiset, jotka luottavat sähkötekniikan perustietoihin, asentavat nollajohtimen maadoitusjohdoksi. Älä koskaan tee niin. Nollajohdon katketessa maadoitettujen laitteiden kotelot saavat jännitteen 220 V jännitteellä.

Lisää sivusto kirjanmerkkeihin

Mitä aloittelijoiden tulee tietää sähköstä?

Meitä lähestyvät usein lukijat, jotka eivät ole aiemmin törmänneet sähkötöihin, mutta haluavat ymmärtää tämän. Tälle kategorialle luodaan otsikko "Sähkö aloittelijoille".

Kuva 1. Elektronien liike johtimessa.

Ennen kuin jatkat sähköön liittyvää työtä, on tässä asiassa "tietävä" hieman teoreettisesti.

Termi "sähkö" tarkoittaa elektronien liikettä sähkömagneettisen kentän vaikutuksen alaisena.

Tärkeintä on ymmärtää, että sähkö on pienimpien varautuneiden hiukkasten energiaa, jotka liikkuvat johtimien sisällä tiettyyn suuntaan (kuva 1).

Tasavirta ei käytännössä muuta suuntaaan ja suuruuttaan ajan myötä. Oletetaan, että perinteisessä akussa on tasavirtaa. Sitten lataus virtaa miinuksesta plussaan, ei muutu ennen kuin se loppuu.

Vaihtovirta on virta, joka muuttaa suuntaa ja suuruutta tietyllä jaksollisuudella. Ajattele virtaa putken läpi virtaavana vesivirtana. Tietyn ajan kuluttua (esimerkiksi 5 s) vesi ryntää yhteen suuntaan, sitten toiseen.

Kuva 2. Muuntajalaitteen kaavio.

Virralla tämä tapahtuu paljon nopeammin, 50 kertaa sekunnissa (taajuus 50 Hz). Yhden värähtelyjakson aikana virta nousee maksimiin, kulkee sitten nollan läpi, ja sitten tapahtuu käänteinen prosessi, mutta eri etumerkillä. Kysyttäessä, miksi näin tapahtuu ja miksi tällaista virtaa tarvitaan, voidaan vastata, että vaihtovirran vastaanottaminen ja lähettäminen on paljon helpompaa kuin tasavirta. Vaihtovirran vastaanotto ja lähettäminen liittyvät läheisesti laitteeseen, kuten muuntajaan (kuva 2).

Vaihtovirtaa tuottava generaattori on rakenteeltaan paljon yksinkertaisempi kuin tasavirtageneraattori. Lisäksi vaihtovirta soveltuu parhaiten voimansiirtoon pitkiä matkoja. Sen avulla energiaa kuluu vähemmän.

Vaihtovirta muunnetaan muuntajan (käämien muodossa oleva erikoislaite) avulla pienjännitteestä korkeajännitteeksi ja päinvastoin, kuten kuvassa (kuva 3) näkyy.

Tästä syystä useimmat laitteet toimivat verkossa, jossa virta on vaihtuva. Tasavirtaa käytetään kuitenkin myös melko laajasti: kaikentyyppisissä akuissa, kemianteollisuudessa ja joillakin muilla aloilla.

Kuva 3. AC-siirtokaavio.

Monet ovat kuulleet sellaisia ​​salaperäisiä sanoja kuin yksi vaihe, kolme vaihetta, nolla, maa tai maa, ja he tietävät, että nämä ovat tärkeitä käsitteitä sähkön maailmassa. Kaikki eivät kuitenkaan ymmärrä, mitä he tarkoittavat ja mikä suhde heillä on ympäröivään todellisuuteen. Sinun on kuitenkin tiedettävä tämä.

Menemättä teknisiin yksityiskohtiin, joita kodin isäntä ei tarvitse, voimme sanoa, että kolmivaiheinen verkko on menetelmä sähkövirran siirtämiseksi, kun vaihtovirta kulkee kolmen johdon läpi ja palaa yksi kerrallaan. Yllä oleva vaatii hieman selvennystä. Mikä tahansa sähköpiiri koostuu kahdesta johdosta. Virta menee yksi kerrallaan kuluttajalle (esimerkiksi kattilaan) ja toisella se palaa takaisin. Jos tällainen piiri avataan, virta ei kulje. Tämä on koko yksivaiheisen piirin kuvaus (kuva 4 A).

Johtoa, jonka läpi virta kulkee, kutsutaan vaiheeksi tai yksinkertaisesti vaiheeksi ja jonka kautta se palaa - nolla tai nolla. Kolmivaiheinen piiri koostuu kolmesta vaihejohdosta ja yhdestä paluusta. Tämä on mahdollista, koska vaihtovirran vaihe kussakin kolmessa johdossa on siirtynyt 120° suhteessa viereiseen johtimeen (kuva 4 B). Sähkömekaniikan oppikirja auttaa vastaamaan tähän kysymykseen yksityiskohtaisemmin.

Kuva 4. Sähköpiirien kaavio.

Vaihtovirran siirto tapahtuu täsmälleen kolmivaiheisten verkkojen avulla. Tämä on taloudellisesti hyödyllistä: kahta lisää nollajohtoa ei tarvita. Kuluttajaa lähestyttäessä virta jaetaan kolmeen vaiheeseen, joista jokaiselle annetaan nolla. Joten hän pääsee asuntoihin ja taloihin. Vaikka joskus kolmivaiheinen verkko tuodaan suoraan taloon. Yleensä puhumme yksityisestä sektorista, ja tällä asiaintilalla on hyvät ja huonot puolensa.

Maadoitus tai oikeammin maadoitus on kolmas johto yksivaiheisessa verkossa. Pohjimmiltaan se ei kanna työtaakkaa, vaan toimii eräänlaisena sulakkeena.

Esimerkiksi kun sähkö riistäytyy hallinnasta (esimerkiksi oikosulku), on olemassa tulipalon tai sähköiskun vaara. Tämän estämiseksi (eli virran arvo ei saa ylittää ihmisille ja laitteille turvallista tasoa) otetaan käyttöön maadoitus. Tämän johdon kautta ylimääräinen sähkö menee kirjaimellisesti maahan (kuva 5).

Kuva 5. Yksinkertaisin maadoituskaavio.

Vielä yksi esimerkki. Oletetaan, että pesukoneen sähkömoottorin toiminnassa tapahtui pieni vika ja osa sähkövirrasta putoaa laitteen ulompaan metallikuoreen.

Jos maadoitusta ei ole, tämä lataus vaeltelee pesukoneen ympärillä. Kun henkilö koskettaa sitä, hänestä tulee heti tämän energian kätevin ulostulo, eli hän saa sähköiskun.

Jos tässä tilanteessa on maadoitusjohto, ylimääräinen varaus valuu sen läpi vahingoittamatta ketään. Lisäksi voidaan sanoa, että nollajohdin voi olla myös maadoitettu ja periaatteessa se onkin, mutta vain voimalaitoksella.

Tilanne, jossa talossa ei ole maadoitusta, on vaarallinen. Kuinka käsitellä sitä muuttamatta kaikkia talon johdotuksia, kuvataan myöhemmin.

HUOMIO!

Jotkut käsityöläiset, jotka luottavat sähkötekniikan perustietoihin, asentavat nollajohtimen maadoitusjohdoksi. Älä koskaan tee niin.

Nollajohdon katketessa maadoitettujen laitteiden kotelot saavat jännitteen 220 V jännitteellä.

Sähkö on ollut ihmisten tiedossa muinaisista ajoista lähtien. Totta, ihmiset oppivat käytännössä mittaamaan sähköä vasta 1800-luvun alussa. Sitten kesti vielä 70 vuotta, kunnes vuonna 1872 venäläinen tiedemies A.N. Lodygin keksi maailman ensimmäisen hehkulampun. Mutta ihmisillä oli tietoa sellaisesta ilmiöstä kuin sähkö tuhansia vuosia sitten. Loppujen lopuksi jopa muinainen ihminen huomasi meripihalla hierotun villan hämmästyttävän ominaisuuden houkutella lankoja, pölyä ja muita pieniä esineitä. Paljon myöhemmin tämä ominaisuus havaittiin muissa aineissa, kuten rikissä, tiivistevahassa ja lasissa. Ja koska "meripihka" kreikaksi kuulosti "elektronilta", näitä ominaisuuksia alettiin kutsua sähköisiksi.

Ja syy sähkön syntymiseen on se, että kitkan aikana varaus jaetaan positiivisiin ja negatiivisiin varauksiin. Vastaavasti samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan ja erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Liikkuessaan metallilankaa, joka on johdin, nämä varaukset synnyttävät sähköä.
Ilman sähköä meidän aikanamme on yksinkertaisesti mahdotonta kuvitella normaalia sivistynyttä elämää. Se loistaa, lämmittää, antaa meille mahdollisuuden kommunikoida suurilla etäisyyksillä toisistamme jne. Sähkövirta käyttää erilaisia ​​yksiköitä ja laitteita - pienestä herätyskellosta valtavaan valssaamoon. Joten jos kuvittelet, että jonain päivänä sähkö voi kadota samanaikaisesti koko planeetalta, ihmiselämä muuttaa suuntaansa dramaattisesti. Emme tule enää toimeen ilman sähkövirtaa, koska se ruokkii ja saa toimimaan lähes kaikki ihmisen keksimät mekanismit ja laitteet. Ja jos katsot ympärillesi, huomaat, että missä tahansa asunnossa vähintään yksi pistorasia on kytketty pistokkeeseen, josta johto menee nauhuriin, televisioon, mikroaaltouuniin tai muihin laitteisiin, joita käytämme päivittäin kotona. tai töissä.
Nykyään mikään sivistynyt maa ei voi elää ilman sähköä. Miten tuotetaan niin valtava määrä sähköä, joka voi täyttää miljardien maapallolla asuvien ihmisten tarpeet?
Näitä tarkoituksia varten on perustettu voimalaitoksia. Niissä tuotetaan generaattoreiden avulla sähköä, joka sitten siirretään pitkiä matkoja voimalinjojen kautta. Voimalaitoksia on erilaisia. Jotkut käyttävät veden energiaa sähkön tuottamiseen, niitä kutsutaan vesivoimalaitoksiksi. Toiset saavat energiansa polttoaineen (kaasun, dieselin tai hiilen) palamisesta. Nämä ovat lämpövoimaloita, jotka eivät tuota vain sähkövirtaa, vaan voivat myös samanaikaisesti lämmittää vettä, joka sitten tulee talojen tai tehtaiden tiloja lämmittäviin lämmitysputkiin. Ja siellä on ydinvoimaloita, tuuli-, vuorovesi-, aurinko- ja monia muita.
Vesivoimalaitoksessa (HPP) vesivirta kääntää sähköä tuottavan generaattorin turbiinit. Lämpövoimalaitoksissa (TPP) tämä velvollisuus on osoitettu vesihöyrylle, joka muodostuu polttoaineen palamisesta syntyvän veden lämmittämisen seurauksena. Erittäin korkeapaineinen vesihöyry tunkeutuu generaattorin turbiineihin, joissa on monia pyöriviä osia, jotka on varustettu erityisillä, lentokoneen potkureita muistuttavilla terälehdillä. Terälehtien läpi kulkeva höyry pyörittää generaattorin työyksiköitä, minkä seurauksena syntyy sähkövirtaa.
Samanlaista periaatetta käytetään ydinvoimalaitoksessa (NPP), vain siellä radioaktiiviset materiaalit - uraani ja plutonium - toimivat polttoaineena. Uraanin ja plutoniumin erityisominaisuuksista johtuen niistä vapautuu erittäin suuri määrä lämpöä, jota käytetään veden lämmittämiseen ja höyryn tuottamiseen. Sitten kuumennettu höyry tulee turbiiniin ja syntyy sähkövirtaa. Mielenkiintoista on, että vain kymmenen grammaa tällaista polttoainetta korvaa kokonaisen hiilen.

Periaatteessa voimalaitokset eivät toimi itsestään. Ne on yhdistetty toisiinsa voimalinjoilla. Heidän avullaan sähkö ohjataan sinne, missä sitä eniten tarvitaan. Voimajohdot ulottuivat laajalle maallemme, joten kotona käyttämämme virta voidaan tuottaa hyvin kauas, satojen kilometrien päähän asunnostamme. Mutta riippumatta siitä, missä voimalaitos sijaitsee, sähkölinjojen ansiosta jokainen voi kytkeä pistokkeen ja pistorasiaan ja käynnistää minkä tahansa tarvitsemansa laitteen tai laitteen.

Tämä on tiettyjen varautuneiden hiukkasten määrätty liike. Jotta sähkön koko potentiaali voidaan käyttää asiantuntevasti, on välttämätöntä ymmärtää selkeästi kaikki laitteen periaatteet ja sähkövirran toiminta. Joten selvitetään, mitä työ ja nykyinen teho ovat.

Mistä sähkövirta tulee?

Kysymyksen näennäisestä yksinkertaisuudesta huolimatta harvat pystyvät antamaan siihen ymmärrettävää vastausta. Tietenkin nykyään, kun tekniikka kehittyy uskomattomalla nopeudella, ihminen ei erityisemmin ajattele sellaisia ​​alkeellisia asioita kuin sähkövirran toimintaperiaate. Mistä sähkö tulee? Varmasti monet vastaavat "No, pistorasiasta tietysti" tai yksinkertaisesti kohauttavat olkapäitään. Samaan aikaan on erittäin tärkeää ymmärtää, miten virta toimii. Tämän pitäisi olla tiedossa paitsi tutkijoille, myös ihmisille, jotka eivät liity mitenkään tieteen maailmaan, heidän yleisen monipuolisen kehityksensä vuoksi. Mutta nykyisen toiminnan periaatteen oikea käyttö ei ole kaikille.

Joten aluksi sinun tulee ymmärtää, että sähköä ei synny tyhjästä: sitä tuottavat erityiset generaattorit, jotka sijaitsevat eri voimalaitoksissa. Turbiinien siipien pyöritystyön ansiosta hiilellä tai öljyllä lämmitettäessä vettä tuottaa energiaa, joka muuntuu myöhemmin sähköksi generaattorin avulla. Generaattori on hyvin yksinkertainen: laitteen keskellä on valtava ja erittäin vahva magneetti, joka saa sähkövaraukset liikkumaan kuparijohtoja pitkin.

Miten sähkö saapuu kotiimme?

Kun tietty määrä sähkövirtaa on saatu energian (lämpö- tai ydinvoiman) avulla, se voidaan toimittaa ihmisille. Tällainen sähkön tarjonta toimii seuraavasti: jotta sähkö pääsisi onnistuneesti kaikkiin asuntoihin ja yrityksiin, se on "työnnettävä". Ja tätä varten sinun on lisättävä voimaa, joka tekee sen. Sitä kutsutaan sähkövirran jännitteeksi. Toimintaperiaate on seuraava: virta kulkee muuntajan läpi, mikä lisää sen jännitettä. Lisäksi sähkövirta kulkee syvälle maan alle tai korkealle asennettujen kaapeleiden läpi (koska jännite saavuttaa joskus 10 000 volttia, mikä on tappavaa ihmisille). Kun virta saavuttaa määränpäänsä, sen täytyy jälleen kulkea muuntajan läpi, mikä nyt vähentää sen jännitettä. Sitten se kulkee johtojen kautta kerrostaloihin tai muihin rakennuksiin asennettuihin kilpeihin.

Johtojen läpi kulkevaa sähköä voidaan käyttää pistorasiajärjestelmän ansiosta, joka yhdistää kodinkoneet niihin. Seinissä kuljetetaan lisäjohtoja, joiden läpi sähkövirta kulkee ja sen ansiosta valaistus ja kaikki kodin laitteet toimivat.

Mitä on nykyinen työ?

Sähkövirran itsessään kuljettama energia muuttuu ajan myötä valoksi tai lämmöksi. Esimerkiksi kun sytytämme lampun, sähköinen energiamuoto muunnetaan valoksi.

Saavutettavalla kielellä puhuen virran työ on sähkön itsensä tuottamaa toimintaa. Lisäksi se voidaan hyvin helposti laskea kaavalla. Energian säilymislain perusteella voidaan päätellä, että sähköenergia ei ole kadonnut, vaan se on muuttunut kokonaan tai osittain toiseen muotoon, samalla kun se luovuttaa tietyn määrän lämpöä. Tämä lämpö on virran työtä, kun se kulkee johtimen läpi ja lämmittää sitä (lämmönvaihto tapahtuu). Tältä Joule-Lenzin kaava näyttää: A \u003d Q \u003d U * I * t (työ on yhtä suuri kuin lämmön määrä tai virran tehon tulo ja aika, jonka aikana se virtasi johtimen läpi).

Mitä tasavirta tarkoittaa?

Sähkövirtaa on kahta tyyppiä: vaihto- ja suora. Ne eroavat toisistaan ​​siinä, että jälkimmäinen ei muuta suuntaaan, siinä on kaksi puristinta (positiivinen "+" ja negatiivinen "-") ja se alkaa aina liikenteestä "+". Ja vaihtovirralla on kaksi napaa - vaihe ja nolla. Koska johtimen päässä on yksi vaihe, sitä kutsutaan myös yksivaiheiseksi.

Yksivaiheisen vaihto- ja tasasähkövirran laitteen periaatteet ovat täysin erilaiset: toisin kuin tasa, vaihtovirta muuttaa sekä suuntaansa (muodostaen virtauksen sekä vaiheesta nollaan että nollasta vaiheeseen) että suuruuttaan. . Joten esimerkiksi vaihtovirta muuttaa ajoittain latauksensa arvoa. Osoittautuu, että taajuudella 50 Hz (50 värähtelyä sekunnissa) elektronit muuttavat liikesuuntansa täsmälleen 100 kertaa.

Missä tasavirtaa käytetään?

Tasasähkövirralla on joitain ominaisuuksia. Koska se virtaa tiukasti yhteen suuntaan, sitä on vaikeampi muuttaa. Seuraavia elementtejä voidaan pitää tasavirran lähteinä:

• paristot (sekä alkali- että happoparistot);
• tavanomaiset akut, joita käytetään pienissä kodinkoneissa;
• sekä erilaisia ​​laitteita, kuten muuntimia.

DC-toiminta

Mitkä ovat sen tärkeimmät ominaisuudet? Nämä ovat työ ja virta, ja molemmat nämä käsitteet liittyvät hyvin läheisesti toisiinsa. Teholla tarkoitetaan työn nopeutta aikayksikköä kohti (per 1 s). Joule-Lenzin lain mukaan saadaan, että tasavirran työ on yhtä suuri kuin itsensä virran voimakkuuden, jännitteen ja sen ajan tulo, jonka aikana sähkökentän työ suoritettiin siirtämään varauksia kapellimestari.

Tältä kaava virran työn löytämiseksi, kun otetaan huomioon Ohmin vastuslaki johtimissa, näyttää tältä: A \u003d I 2 * R * t (työ on yhtä suuri kuin virran voimakkuuden neliö kerrottuna arvolla johtimen resistanssista ja kerrottuna jälleen sen ajan arvolla, jonka aikana työ tehtiin).