4. Электричество

Все, к чему прикасаются руки человека на работе или в быту, в той или иной мере связано с использованием электричества. На сегодняшний день наука об электричестве – огромный объем информации, начиная от теоретических работ на переднем крае науки и заканчивая сугубо практическими знаниями инженерно-технического характера. Электричество вошло в наш быт давно. Мы уже вряд ли сможем представить свою жизнь без электроприборов и освещения. Конечно, некоторые работы по ремонту и обслуживанию электрики в квартире или доме должны выполнять специалисты с соответствующими образованием и квалификацией. Но есть работы, которые вы в силах сделать и сами. Это в первую очередь касается установки новых электроприборов и ремонта электроустановочных устройств (розеток, выключателей, осветительных приборов и т. д.).

Чтобы понять законы электричества и научиться использовать их в собственных интересах, совсем не обязательно знать все премудрости физических постулатов и понимать хитрые формулы. Это работа ученых и инженеров: привести сложную теорию в разряд доступной практики. Ведь никто не изучает в деталях теорию двигателей внутреннего сгорания, перед тем как сесть за руль.

Электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.

Электричество – это энергия, которая существует в природе. Наиболее яркое ее проявление – это молния во время грозы. Однако молнию пока не удалось поставить на службу человеку, поэтому электричество приходится производить на основе других видов энергии (тепловой, атомной, Солнца, ветра, падающей воды). По сравнению с другими видами энергии электричество обладает определенными преимуществами: его легко передавать на расстояние, для его хранения не требуются складские помещения, оно готово к немедленному потреблению и является экологически чистым. Единственное, что можно было бы поставить ему в упрек, – неэстетичный вид воздушных высоковольтных линий, а также некоторых установок в наших домах.

К сожалению, электричество опасно, если неправильно эксплуатируется. Поэтому требуется соблюдение строгих норм, разработка и совершенствование все более безопасного оборудования. Чтобы освоить какую-либо область, нужно хорошо знать ее основы, поэтому постараемся для начала просто понять, что же такое электрический ток.

Электрический ток представляет собой движение свободных электронов между двумя точками проводника (рис. 4.1). Электроны – это частицы, которые вращаются вокруг ядра (почти так же, как планеты вокруг Солнца). Ядро и электроны составляют атом. Свободным электроном называют электрон, способный легко отделиться от атома. Различают два вида тел: те, которые имеют свободные электроны (они называются проводниками; в быту чаще всего используются металлы), и те, которые их не имеют (диэлектрики, или изоляторы, – стекло, фарфор, пластик и т. д.).

1 – связанные электроны, остающиеся в атоме; 2 – проводник; 3 – атом; 4 – свободные электроны, обеспечивающие ток

Генератор – установка, которая производит электричество. Генератор имеет два полюса. Он снабжен устройством, которое создает избыток электронов на одном из полюсов и их недостаток на другом. Клемму с избытком электронов обозначают плюсом (+), а с недостатком – минусом (—). Когда к клеммам подсоединяют прибор-потребитель, например лампочку (рис. 4.2), генератор действует как насос для электронов: он втягивает положительные заряды и отталкивает отрицательные; другими словами, электрический ток имеет некое направление. Раньше считали, что ток идет от клеммы «+» к клемме «—». В действительности все происходит наоборот, однако сохранили эту условность.

1 – генератор; 2 – лампочка; 3 – генератор

Чтобы понять возможности электричества, проделаем следующий опыт. Соберем электрическую цепь, соединяя элементы последовательно, то есть один за другим (рис. 4.3). Раствор кислоты в данном случае представляет собой источник ионов (одно– или многоатомных электрически заряженных частиц, знак которых зависит от того, присоединили они свободные электроны или отдали). Что происходит, когда мы нажимаем на выключатель? Лампочка зажигается и излучает тепло – это тепловой эффект; заряженные частицы появляются на электродах – это химический эффект; стрелка компаса поворачивается – это магнитный эффект.

1 – лампочка; 2 – электроды; 3 – медная перемычка; 4 – компас; 5 – емкость с раствором соляной кислоты; 6 – генератор; 7 – выключатель

Тепловой эффект мы наблюдаем, когда электрический ток проходит через материал, оказывающий сопротивление; именно тогда электрическая энергия преобразуется в тепловую. Этот эффект можно использовать для освещения (вольфрамовая нить в вакууме или инертном газе нагревается до свечения), а также для обогрева (в электрических приборах разных конструкций – конвекторах, тепловентиляторах и т. д.).

Химический эффект – между электродами начинается обмен электронами (заряженными частицами). Такая химическая реакция называется электролизом. Электролиз используется в промышленности для получения некоторых металлов (алюминия, золота, серебра) и гальваностегии (создания металлического осадка на другом веществе, например серебрения или позолоты). Если прохождение тока способно вызывать химическую реакцию, то возможен и обратный процесс – химическая реакция может генерировать электрический ток. Примером использования этого эффекта могут служить давным-давно ставшие привычными аккумуляторные батареи для автомобилей.

Магнитный эффект: в медной перемычке, через которую пропускают ток, возникает магнитное поле, благодаря действию которого отклоняется стрелка компаса. Этот эффект применяется очень широко: он позволил разработать электродвигатель, трансформатор, звонок, электрический замок и большое количество различных автоматов. Магнитный эффект имеет и обратное действие: в результате механического вращения ротора электродвигателя появляется ток. Этот эффект сделал возможным существование генераторов (например, генератор переменного тока для автомобилей или ветрогенератор); электричество, получаемое потребителями, также выработано генераторами.

И напоследок: если поменять местами провода генератора, то можно увидеть, что в растворе осадок будет откладываться на другом электроде, а стрелка компаса повернется в противоположном направлении. Только лампочка будет реагировать так же, как и раньше. Вывод очевиден: изменение направления движения тока влияет на некоторые его эффекты.

Теперь нужно вспомнить несколько физических величин, которые характеризуют электрический ток. Существует два вида тока:

• постоянный ток, получаемый химическим способом (батарейки и аккумуляторы), как в рассмотренном примере, или генерируемый полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями, которые в просторечии обычно именуются солнечными батареями. Этот ток поляризован и течет в определенном направлении, как было описано выше;

• переменный ток, вырабатываемый благодаря магнитному эффекту (электромагнитной индукции); такой ток используется в быту. Переменный ток не имеет полюсов в том виде, в котором они определяются для постоянного; смена полюсов происходит циклически и непрерывно. Это явление (смена полярностей) происходит с определенной частотой. Измеряется она в герцах (Гц). В бытовых сетях на территории бывшего СССР используется переменный ток частотой 50 Гц; это значит, что смена направления происходит 50 раз в секунду. Два провода, которые идут от ввода линии в дом, называются фазовым и нулевым проводами.

Однофазный и трехфазный переменный ток. Рядовой потребитель сталкивается с электричеством, ежедневно зажигая свет и включая тот или иной прибор в розетку. Выключатели друг от друга отличаются мало, а вот с розетками все гораздо сложнее. Попробуем разобраться, как устроена розетка.

Розетки, особенно в старых домах, обычно подключены всего к двум проводам. Изоляция одного из проводов обязательно должна иметь голубоватую или синюю окраску. Именно так определяется рабочий нулевой проводник. Ток по нему идет не от источника, а от потребителя. Этот провод вполне безобидный, и если схватиться за него, не прикасаясь ко второму, то ничего страшного не случится.

А вот второй провод, окраска которого может быть любой, за исключением синей, голубой, желто-зеленой в полоску и черной, более опасный. Называется он фазовый проводник. Дотронувшись до этого провода, можно получить сильный разряд. И это серьезно, поскольку напряжение бытовой сети переменного тока 220 В, а любой ток, напряжение которого свыше 50 В, убивает человека за несколько секунд. Наличие напряжения в фазовых проводниках можно определить специальными индикаторами. Они выполнены в виде обыкновенной отвертки с плоским шлицем (встречаются индикаторные отвертки с крестообразным шлицем). Рукоятка, внутри которой встроена лампочка-диод, изготовлена из полупрозрачного пластика. Верхняя часть рукоятки металлическая. Дотроньтесь рабочей частью индикатора до проводника, а большим пальцем руки – до металлической части на рукоятке. Если диод загорелся, трогать этот провод не стоит – он сейчас под напряжением. Заметьте, что при прикосновении к нулевому проводнику светодиод не загорается (естественно, если этот проводник не соприкасается с фазовым проводом).

Многие слышали такие загадочные слова, как одна фаза, три фазы, ноль, заземление, или земля, и знают, что это важные понятия в мире электричества. Однако не все понимают, что они обозначают. Тем не менее знать это обязательно. Не углубляясь в технические подробности, которые не нужны домашнему мастеру, можно сказать, что трехфазная сеть – это такой способ передачи электрического тока, когда переменный ток течет по трем проводам, а по одному возвращается назад. Вышесказанное надо немного пояснить. Любая электрическая цепь состоит из двух проводов. По одному ток идет к потребителю, а по другому – возвращается обратно. Если разомкнуть такую цепь, то ток идти не будет. Вот и все описание однофазной цепи. Тот провод, по которому ток идет, называется фазовым или просто фазой, а по которому возвращается – нулевым или нолем.

Трехфазная цепь состоит из трех фазовых проводов и одного обратного. Такое возможно потому, что фаза переменного тока в каждом из трех проводов сдвинута по отношению к соседнему проводу на 120°. Более подробно этот вопрос поможет осветить учебник по электромеханике.

Передача переменного тока происходит именно с помощью трехфазных сетей. Это выгодно экономически – не нужны еще два нулевых провода. Подходя к потребителю, ток разделяется на три фазы, и каждой из них дается по нолю. В таком виде он обычно и попадает в квартиры и дома, хотя иногда трехфазная сеть заводится прямо в дом. Как правило, речь идет о частном секторе, и такое положение дел имеет свои плюсы и минусы. Как видно из названия, трехфазная система состоит из трех источников электроэнергии и трех цепей, соединенных общими проводами линии передач. Источником энергии для всех фаз является трехфазный генератор.