Андрей Цунский

Текст

Электрический ток – это направленное движение частиц - носителей электрического заряда. Каждый помнит это еще со школьных уроков. Но вот куда они движутся, зачем, почему? Разумеется, большинство наших читателей прекрасно это знает.

Однако в наше время у каждого неизбежно возникает необходимость объяснять, казалось бы, простые вещи другим – и в особенности детям. Про тот же электрический ток им расскажут только в восьмом классе. Но гораздо раньше в жизни малышей появляются фонарики, машинки на батарейках, неизбежные гаджеты, и это не говоря уж о розетках, в которые нежелательно засовывать металлические предметы и маленькие пальцы. Эйнштейн говорил: «Того, что вы не можете объяснить шестилетнему ребенку, вы сами не понимаете». Давайте же вместе докажем детям и самим себе, что мы не зря ходили в школу!

Что означает слово «электрический»

На это вопрос есть точнейший ответ. Оно значит «янтарный». Красавицы античной Греции далеко не первыми заметили, что если расчесаться янтарным гребнем, начнется потрескивание, волосы будут отталкиваться друг от друга и выглядеть более объемными. Секрет в том, что волосы забирают с поверхности янтаря множество мельчайших отрицательно заряженных частиц и сами становятся носителями отрицательного заряда. Они начинают отталкиваться друг от друга, а янтарный гребень – оставшись без отрицательных частиц – начинает их отовсюду притягивать: поэтому к нему липнут нитки, пылинки, бумажки.

В древней Греции слово ἤλεκτρον – то есть «электрон», и означало «янтарь». Для древнего грека большой ценностью был «электрон» с мухой внутри. А для нас электрон, без кавычек – это нечто гораздо более ценное.

Что заставляет частицы двигаться

Если каждый из нас потрет янтарную или пластмассовую палочку, она приобретет электрический заряд. И если мы все вместе понесем эти палочки в одном направлении, то… их движение не станет электрическим током. Почему? Потому что для настоящего тока частицы должны двигаться сами, под воздействием электрического поля. Отрицательные побегут к положительному полюсу, положительные – наоборот. В физике притягиваются противоположности. Впрочем, не только в физике.

Формула электрического тока, его характеристики и единицы его измерения

Может ли электроток сразу весь вытечь? Может. Вы это видели неоднократно, во время грозы. Влажный воздух плохой проводник – но все же проводник. Ба-бах! – и весь ток взял, да и вытек. Яркая вспышка, шума много, но лампочку так не зажжешь, и моторчик крутиться не заставишь. Чтобы полезное движение электронов не прекращалось, нужно удерживать разницу между полюсами. Нужно сохранять разность электрических потенциалов.

По-другому разность потенциалов еще называют… – уже забыли? – электрическим напряжением. Поле напрягается, заставляет двигаться частицы. Когда бегут частицы быстрее и в большем количестве? Когда поле сильнее, а напряжение – выше. Это просто, прямая пропорция (прямая пропорция – это когда помогают, а значит – можно умножать). Но на пути у частиц всегда что-нибудь есть и мешает движению. Чем больше перед ними помех – тем меньше становится скорость частиц, с которой они бегут и меньшее их количество преодолевает выбранный нами для измерения участок электрической цепи. Тут уже пропорция будет обратной (это когда мешают – и приходится делить). Что мы только что сказали простыми словами? «Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению». То есть: I=U/R, где I – сила тока, U – напряжение, R –сопротивление. Прошу любить и жаловать, это Закон Ома для участка цепи! Силу тока I измеряют в Амперах (A) в честь физика Андре-Мари Ампера, напряжение U в Вольтах, в честь итальянского физика Алессандро Джузеппе Анастазио Вольты, а сопротивление – в честь Георга Симона Ома. Да озарит сияние электрического света эти прекрасные имена!

А нам нужно создать электрическое напряжение и проложить для электрического тока стабильную регулируемую дорогу. То есть - нужен проводник!

Проводники – плохие и хорошие

По легенде, в Массачусетском технологическом институте родился анекдот про ужасного злодея, который устроился на железную дорогу проводником (по-английски «проводник» – conductor) и ограбил целый поезд. Его усадили на электрический стул, но сразу после казни он встал, отряхнулся и со злобной улыбкой прорычал: «Не выйдет! Я самый ужасный проводник!»

Увы, человеческое тело – тоже проводник, хотя и с большим сопротивлением. Поэтому электроток наносит ему такой тяжкий вред. Нам, с нашими гуманными и мирными целями, понадобится проводник хороший, то есть нечто, где есть много заряженных частиц, чтобы привести их в движение. Так что идем за металлом. В каждом металле содержится «электронный газ». Не волнуйтесь, он не пахнет и не взрывается, и это вообще не газ. Так называют банды электронов, которых много и им лишь бы куда-нибудь нестись.

Вспомним планетарную модель атома по Нильсу Бору, там в середине – положительно заряженное ядро, а вокруг летают электроны, с отрицательным зарядом, как планеты вокруг Солнца. Часть из них летает совсем близко к ядру, и ведет себя послушно, никуда не убегая. Но в структуре металла те электроны, что подальше от ядра, не слушаются его. Они могут убежать на соседний атом, или на следующий, причем без всякого порядка, хаотически. Атомы с этим смирились – в конце концов, один убежит, прибежит другой. Такой же отрицательный тип – но без них ведь тоже нельзя.

Вольница эта заканчивается, если вдруг наш металл оказывается в замкнутой электрической цепи. Электрическое поле отдает электронам жесткую команду – всем бежать строго в положительном направлении! А с электрическим полем не забалуешь.

Могут ли теперь все электроны убежать? Нет. Они бегут только тогда, когда цепь замкнута – а это значит, по кругу. Один убежал, другой прибежал на его место. Разомкнут цепь – и все они остановятся, и снова будут шастать только по соседним атомам. Никакой положительный потенциал не исправит их отрицательную сущность.

Почему ток течет от плюса к минусу

Тут вы можете вспомнить, как учитель физики сказал вам, что направление электрического тока всегда считается от плюса к минусу, но электроны-то отрицательно заряжены и бежать могут только к плюсу! Неувязочка?

Точно. Опыты с электричеством проводил в 1747 году Бенджамин Франклин, который изобрел громоотвод и нарисован (хотя и за другие заслуги) на купюре в сто долларов. Именно он придумал аналогию электрического тока с течением воды, и, наблюдая за «потоками жидкого электричества», решил, что оно должно течь от плюса к минусу. А понятие «электрон» британский физик и нобелевский лауреат Джозеф Джон Томпсон ввел только полтора века спустя, в 1897 году. Это тогда стало ясно, что во время грозы у облаков заряд положительный, а у Земли – отрицательный. Однако, из уважения к Франклину (не к ста долларам, а к громоотводу!) решили оставить все так, как он и говорил. «К тому же если электроны бегут от минуса к плюсу, то, – решили ученые мужи, – будем считать, что некая позитивная абстракция бежит и от плюса к минусу. Уважим старика!»

И «неувязочка» действительно не мешает электронам нестись хоть по воздуху, хоть по металлическому проводу навстречу плюсу, как им и положено.

Что такое постоянный ток

Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Часто для того, чтобы объяснить, что такое электрический ток, приводят, следом за Франклином, в пример водопроводную трубу: только течет по ней не вода, а некое «электричество». Аналогия, однако, неважная: в трубе вода течет строго в одном направлении. А в проводах - далеко не всегда!

Иногда в сети электроны упорядоченно двигаются в одну сторону, как будто едут в поезде солидные господа, помахивая прохожим из окон с улыбками. Это называется постоянный ток.

Что такое переменный ток

Переменный ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по направлению в электрической цепи. Электроны ведут себя, как взбесившаяся банда отрицательных персонажей, они носятся взад и вперед, меняя направление, то ускоряясь, то и вовсе останавливаясь – и тут же летят обратно. Если частота тока 10 Герц – они это вытворяют десять раз в секунду. Те, что в проводах, ведущих к нашим розеткам, где частота 50 Гц, меняют направление 50 раз в секунду. Такого буйства никакая труба не выдержит. А провода – ничего, справляются.

Возникает вопрос: зачем и кому понадобился такой беспорядок, и почему бы не заставить электроны всегда двигаться упорядоченно и плавно? Сперва так и было. Но пришлось от этого отказаться.

Почему ток сначала переменный

Если рамку из металлической проволоки поместить между полюсами магнита – то есть в электрическое поле, и начать вращать, электроны сначала побегут к плюсу. Но ведь рамка вращается, и плюс вдруг оказывается с другой стороны! Электроны притормаживают, разворачиваются и бегут в другую сторону. Но рамка провернулась снова – приходится бежать обратно. Да-да, это ток переменный.

Если рамка будет достаточно большой, а магнит очень сильным, то можно получить куда больше электрической энергии. А если магнит – не скрюченный металлический брусок, а электромагнит, и скорость вращения «рамки» очень высока – вот тут-то и начинается серьезное электричество. Когда нужен электрический ток в индустриальных масштабах – сначала придется генерировать ток переменный.

Почему электроэнергия не бесплатная

Вот только если подключить в электрическую цепь что-то, что энергию потребляет, лампочку, например – то вращать рамку становится гораздо труднее, словно кто-то ее тормозит и сдерживает! Природу не обманешь, помните закон Ломоносова-Лавуазье? «…тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». Так что для того, чтобы зажечь миллионы лампочек, сотни тысяч кофеварок и микроволновок, запустить десятки тысяч станков, сотни поездов и т.д. – требуется преобразовать в удобную электрическую энергию какую-то энергию другого рода, и ее нужно где-то взять. Например, перегородить огромную реку, скажем, Енисей. Саяно-Шушенской ГЭС для генерации электроэнергии требуется 13090 м³/с – то есть тринадцать с мелочью тысяч тонн воды в секунду. В секунду! А уж какими силами оперирует реактор атомной электростанции, стоит почитать отдельно.

Почему в розетке переменный ток

В 1882 году в Нью-Йорке впервые в мире начали продавать электричество: появилась коммерческая электросеть, учредил которую хорошо знакомый нашим читателям Томас Альва Эдисон. Первым покупателем (и первым получателем счета за электроснабжение) стал некий Джеймс Богарт, осветивший свой дом лампочками от Эдисона. Реклама не потребовалась – дом светился сам по себе. Сегодняшний читатель уже и не знает, что неоновые вывески на домах «Универмаг», «Парикмахерская», «Кинотеатр» еще в 70-е годы прошлого века в нашей стране называли… «рекламами».

А вот конкуренция появилась сразу, между Edison Electric Light и Westinghouse Electric Corporation. Основателем первой был Эдисон, второй – Джордж Вестингауз, и на нее работал Никола Тесла.

Эдисон в юности был телеграфистом, всю жизнь имел дело с постоянным током – и переменные токи не любил. Так что и продавал он ток постоянный. Ему очень не хватало полноценного высшего образования и знания математики. Но он был воистину велик! До Эдисона желающие пользоваться электричеством должны были сами заботиться о генераторах электрической энергии для своих нужд. Это Эдисон предложил строить электростанции, вырабатывающие электроэнергию для многих потребителей сразу. Преклоним ненадолго головы в память о великом труженике и преобразователе мира!

Вот только постоянный ток невозможно передать на большое расстояние без больших потерь. 2-3 километра – а дальше и смысл теряется. Так что победила – и вполне закономерно - компания Вестингауза, вооруженная идеями Теслы, который стоял за ток переменный. И Тесла был велик, хоть и при всей гениальности, в отличие от Эдисона – не разбогател. Преклоним же головы и в его честь!

При работе с переменным током гораздо легче с помощью трансформаторов менять напряжение (и КПД трансформаторов – 98 %). Ток высокого напряжения передается с меньшими потерями. При постоянном токе так просто напряжением не поиграешь. А кроме того, возрастает риск электролитической коррозии, подземные кабели электропередачи быстрее выходят из строя, требуются провода с более широким сечением – то есть больше металла, больше ремонтов, конструкции тяжелее и дороже, а значит и цифры в счетах потребителей растут. Переменный ток удобнее для транспортировки. Электрические двигатели переменного тока тоже дешевле, проще в эксплуатации, да и надежнее – а сколько таких двигателей использует каждый в быту, от вентилятора и фена до кухонного комбайна и даже машинки для стрижки волос!

С тех пор и появились обозначения: переменный ток – Alternating Current помечали AC, а постоянный ток, Direct Current – значком DC. Да-да, великая рок-группа AC/DC названа в честь двух видов электрического тока.

Какой ток лучше

Оба лучше! И тот, и другой очень полезны – каждый на своем месте. Вам нравится ездить в метро? В сети метрополитена контактный рельс несет постоянный ток. А вот в розетке, куда мы втыкаем вилки наших электроприборов – ток переменный.

Но почему же в метро используется постоянный ток? А потому, что силу и напряжение постоянного тока можно менять более плавно. Расстояние между станциями невелико, а скорости требуются все большие, и современное движение без резких рывков достигается сочетанием постоянного тока с компьютерными технологиями. В 1935 году средняя скорость поездов Московского метрополитена составляла 30 км/ч при максимальной 40-45 км/ч. Сейчас на Филевской, Большой Кольцевой и Калининско-Солнцевской ветках скорость может достигать и 100 км/ч, московское метро официально признано самым быстрым в мире. Еще постоянный ток используют троллейбусы и трамваи. Но локомотив на обычной железной дороге, где требуется огромная мощность, работает уже на токе переменном.

Компьютеру для работы требуется постоянный ток разного напряжения для разных узлов. Всю работу по преобразованию токов выполняет блок питания, который подает в нужные места постоянный ток нужного напряжения. Так что оба тока прекрасны и надежно служат человечеству.

Какой ток опаснее: постоянный или переменный

Сначала ответим в краткой форме:

ОБА!

А теперь чуть-чуть подлиннее.

Постоянный ток опасен при высоком напряжении. Если случится упасть с платформы в метро – не лезьте под край платформы! Там контактный провод, и напряжение может доходить до 1500 В. А вам и ста хватит.

Переменный ток при высоком напряжении не лучше. Никола Тесла, впрочем, показывал, как переменный ток напряжением в 100 000 В бежит по его телу, и ничего ему не делает. Но он не говорил публике, что частота этого тока была 20 КГц, то есть электроны меняли направление своей беготни 20 тысяч раз в секунду, и не успевали забежать внутрь гениального тела.

Постоянный ток безопаснее при низком напряжении. Вы получали на свое тело 60 В напряжения, когда вам делали в поликлинике электрофорез. Переменный хорошо вас шарахнул бы, и всасывание лекарства сопровождалось бы очень неприятными эффектами.

Но вывод таков: если вы не физик, не электрик, не медсестра, не специалист - не лучше ли просто соблюдать правила техники безопасности? Если током (никому и такого не пожелаю) даже просто несильно дернет и напугает вашего ребенка – вам не все равно, переменным или постоянным?

Как отличить постоянный ток от переменного?

В сетях постоянного тока очень важно соблюдение полярности. А в бытовой электросети, в современном доме мы можем вставить вилку в розетку любой стороной – там ток переменный и ему все равно. Постоянный ток дает батарейка или аккумулятор: их мы устанавливаем в приборы строго в соответствии с обозначениями “+” и “-“. В обратном направлении постоянный ток просто не пойдет. С международными обозначениями AC и DC вы уже знакомы. А если в устройстве или внутри кабеля вы видите изолированные провода коричневого, зелено-желтого и синего цвета – не ошибетесь, там нужен ток переменный.

Кстати, полезно знать, что коричневый провод – это «фаза», то есть провод по которому переменный ток доставляется в дом, синий – «ноль», по которому электроны убегают, замыкая цепь, а желто-зеленый – «земля», в случае аварии он отсылает образовавшийся излишек электроэнергии в нашу планету, чтобы не устроить пожара и не спалить все оборудование в доме. Ну и, понятное дело, браться без изолирующих резиновых перчаток одной рукой за фазу, а другой за ноль или «землю» очень опасно для жизни. Напряжение в сети приблизительно 220 вольт (V), сила тока 10 ампер (А). Но это напряжение может подскочить и до 300 V, сила тока находится в дельте 10-16 А. Самому молодому и здоровому человеку не поздоровится. А старику с больным сердцем может хватить для самого печального исхода и 12 вольт.

Электрический ток при неправильной эксплуатации приборов грозит коротким замыканием и пожаром. А посему вывод:

Все работы, связанные с монтажом, заменой и ремонтом электрических сетей, проводов, розеток и прочего доверяйте только квалифицированному электрику. Если провода нагреваются, розетка искрит, часто выключается автомат квартирной сети – зовите квалифицированного электрика. Электрический ток требует знаний и уважения!

Мощность тока – или за что мы платим?

И напоследок – самая интересная глава.

В счетах за электричество мы платим не за вольты, не за амперы – там проставлены загадочные киловатты и часы. Что это?

Вольты и амперы – это характеристики наших сетей, что-то вроде документа, подтверждающего, что у них есть электроэнергия на продажу. Ну да электрик с удостоверением получает от нас деньги не за бумажку с печатью, а за то, что он выполнил какую-то работу. Так и с электрическим током. Мы платим деньги за израсходованную мощность.

Кстати, часто можно встретить в тех же счетах, в журналистских текстах и даже в официальных бумагах формулу кВт/ч. Это совершенно неправильно, киловатты на часы нам делить не нужно. Сколько электроэнергии мы потратим из сети – за такое количество мы и должны заплатить. Киловатты на часы в этом случае не делят, а умножают: кВт⋅ч. И тогда мы узнаем, что включив на полчаса прибор мощностью 4 кВт мы затратим за 30 минут 4 кВт × 0,5 ч = 2 кВт⋅ч – за которые нам нужно заплатить 2 кВт⋅ч умножить на стоимость 1 кВт⋅ч.

И если у нас постоянно работает прибор, который нам в принципе не нужен, если мы вовремя не выключаем обогреватель или плиту, а телевизор понапрасну надрывается в пустой комнате – по этой простой формуле можно вычислить цену нашей рассеянности в рублях, и узнать, сколько электроэнергии она съедает впустую!

Использованные источники: Marek Piwnicki / Unsplash, Bridger Bowcutt / Unsplash, Tiouraren (Y.-C. Tsai) / Wikimedia Commons (cc by-sa), CALITORE / Unsplash, Garth Manthe / Unsplash, Muhammad Nasir / Unsplash, Blake Wheeler / Unsplash,Miguel / Unsplash Ivan Radic (cc by)