Основы электрических сетей
Наверняка, каждый из нас хоть раз в жизни задавался вопросом, как электроны могут течь непрерывным потоком, в едином направлении по проводам без каких-либо источников электрического питания. Ответ на этот парадокс встречается в самой концепции цепи: бесконечный закольцованный путь для электронов. Если взять провод или несколько проводов, соединенных конец в конец, и обмотать его вокруг петли таким образом, чтобы он образовал непрерывный поток.
Каждый электрон, продвигаясь по часовой стрелке в этой цепи воздействует на последующий. Теперь, появляется возможность поддерживать сплошной поток электронов, без необходимости постоянного поддержания потоков электрических частиц. Необходимо понять, что бесперебойность является очень важным фактором для цепи, так как постоянно протекает в прямом куске проволоки. Не только в случае с прямым куском провода, но любой разрыв в этой цепи предотвратит поток электронов, протекающий сквозь конструкцию. При чем, совершенно не важно, в каком месте произойдет разрыв.
Рассмотрим примеры на воске и вате. Изделия необходимо тщательно потереть, чтобы стало видно, как избыточный проценты электронов, попадающий в воск (заряд отрицательный), и дефицит электронов в шерсти (заряд положительный) образует разницу заряда между ними. Описанная неуравновешенность, считается силой притяжения между двумя объектами.
Когда проводник помещают между этих материалов, электроны будут течь через него, как избыточные электрические частицы в воск, чтобы вернуться на шерсть, восполняя дефицит электронов.
Дисбаланс электронов между атомными частицами в воске и шерсти, формирует усилие для данных объектов. Так как, путь для транспортировки электронов из воска к шерсти прекращается, образуется некая сила, которая и объединяет воск и шерсть. Затем, сила провоцирует электроны на передвижение в едином направлении через провод, правда, всего лишь на несколько секунд. Затем, заряд в этой области нейтрализуется, и силы между воском и шерстью значительно сократятся. Данный опыт показал, что с помощью электрического заряда можно создавать особую силу между материалами. Как в случае, с воском и шерстью, растирая эти изделия, можно на короткий промежуток времени сохранить определенное количество энергии.
Электроны, пребывающие в статическом состоянии, вырабатывают энергию с запасом. Называется такая энергия—потенциальной, потому что имеет возможность (потенциал) выхода, который ранее проходил не в полной мере. Например, когда вы случайно потрете резиновой подошвой ткань ковра или другого похожего материала, происходит неуравновешенность электрического заряда между двумя изделиями. Умышленные движения ног накапливают потенциал, как раз в этом виде, поэтому электрические частицы покидают поле. Этот заряд (статическое электричество), находится в неподвижном состоянии, поэтому человек вообще не замечает данное явление. Однако, как только вы дотронетесь рукой до металлической дверной ручки (с большой подвижностью электронов, чтобы нейтрализовать собственный заряд), то запасенная энергия может пройти, в виде неожиданных потоков электронов, через ваши руки, и человек может получить удар током!
Напряжение является прямым отображением потенциальной энергии, представляющее возможность или потенциал для высвобождения энергии, так как электроны движутся от одного “уровня” на другой.
Напряжение может быть создано и другими средствами, помимо растирания определенных видов материалов друг против друга. Химические реакции, энергия излучения и влияние магнитного поля на проводники также являются прямыми способами, благодаря которым может быть вызвано напряжение. Примерами данных источников напряжения могут служить солнечные батареи либо генераторы (например, “устройство генератора” под капотом личного автомобиля).
Любой источник напряжения, включая и батареи, представляет из себя две точки для электрического контакта. Горизонтальные линии разной длины на схемах могут показывать, что это батареи, и они далее указывают направление и напряжение данной батареи.
Особое внимание стоит уделить небольшим отметками “+” и “-” — это знаки слева от символа батареи. Отрицательный (-) конец батарейки, всегда изображается короткими черточками, а положительный (+) конец батареи—длинным тире.
По тому же принципу работают и насосные станции (речь, о которых шла выше): когда резервуар полностью заполнен, электрический поток тока не может протекать, не смотря на то, с какой скоростью насосом генерируется давление.
Электрический ток состоит из отдельных электронов, которые движутся в одном направлении через проводник. При нарушении непрерывности электрической цепи в любой момент, потоки тока будут прекращены, как и весь цикл, а полное напряжение, создаваемое батареей будет проявляться только во время перерыва между концами провода, которые раньше были связаны.
Особое внимание стоит обратить на то, что “+” и “-”, которые обозначены на концах разрыва в цепи, соответствуют “+” и “-” знаков возле клеммы аккумулятора. Напряжение всегда относительно между двумя точками. Исходя из этого, полярность падения напряжения относительна по аналогичному принципу.
Поговорим, и о других принципах электрических сетей, а именно о таком понятии, как сопротивление.
Самым популярным и востребованным способом использования электрического тока является электрическое освещение. Можно привести простой пример—это электрическая лампа— крошечные металлические “нити”, внутри стеклянной колбы, которая светится (“раскаляется”) с помощью тепловой энергии, в случае, если достаточное количество электрического тока проходит через нее. Как и аккумулятор, лампа имеет две токопроводящие точки подключения, один для электронов при входе, а другая для— электронов на выходе.
Когда электроны «прокладывают свой путь» через тонкие металлические нити лампы, они сталкиваются с более стойким сопротивлением, чем как в случае, с обычным толстым куском проволоки. Данное сопротивление зависит от вида материала, площади поперечного сечения и температуры. Другими словами, описанное явление известно, как сопротивление. (Можно сказать, что проводники имеют низкое сопротивление, в то время, как у изоляторов очень высокое сопротивление.) Сопротивление служит для ограничения величины тока через цепь при заданном объеме напряжения, исходящего от батареи.
В то время, когда электроны движутся против сопротивления, и создается «трение». Процесс осуществляется, когда поток электронов идет в обратном направлении от сопротивления, при этом вырабатывается определенное количество тепла. Концентрированное сопротивление вырабатывает значительный процесс тепловой энергии. Данной тепловой энергии достаточно, чтобы, например, заставить лампу накалывания производить свет, а вот провода, соединяющие лампу к аккумулятору (которые имеют гораздо меньшее сопротивление), вряд ли даже нагреются при описанном процессе.