Основы электротехники для начинающих. Базовые понятия о электричестве

СОДЕРЖАНИЕ:
ВСТУПЛЕНИЕ

РАЗНОВИДНОСТЬ ПРОВОДОВ
СВОЙСТВА ТОКА
ТРАНСФОРМАТОР
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
ЗАЩИТА
ПОСЛЕСЛОВИЕ
СТИХОТВОРЕНИЕ ПРО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
ДРУГИЕ СТАТЬИ

ВСТУПЛЕИЕ

В одном из эпизодов "Цивилизация" я критиковал несовершенство и громоздкость образования, потому что оно, как правило, преподаётся за-наученным языком, нашпигованным непонятными терминами, без наглядных примеров и образных сравнений. Эта точка зрения не изменилась, но мне наскучило быть голословным, и я попытаюсь описать принципы электричества простым и понятным языком.

Убеждён, что все многотрудные науки, особенно описывающие явления, которые человек не может постичь своими пятью чувствами (зрение, слух, обоняние, вкус, осязание), например, квантовая механика, химия, биология, электроника - должны преподаваться в виде сравнений и примеров. А ещё лучше - создать красочные учебные мультфильмы о невидимых процессах внутри материи. Сейчас я за полчаса сделаю из Вас электро-технически грамотных людей. И так, начинаю описание принципов и законов электричества при помощи образных сравнений...

НАПРЯЖЕНИЕ, СОПРОТИВЛЕНИЕ, ТОК

Можно вращать колесо водяной мельницы толстой струёй со слабым напором или тонкой с большим напором. Напор - это напряжение (измеряется в ВОЛЬТах), толщина струи - ток (измеряется в АМПЕРах), а общая сила бьющая в лопатки колеса - мощность (измеряется в ВАТТах). Водяное колесо образно сравним с электродвигателем. То есть, может быть высокое напряжение и малый ток или низкое напряжение и большой ток, а мощность в обоих вариантах одинаковой.

Напряжение в сети (розетке) стабильно (220 Вольт), а ток всегда разный и зависит от того, что мы включаем, а точнее от сопротивления, которым обладает электроприбор. Ток = напряжение разделить на сопротивление, или мощность разделить на напряжение. Например, на чайнике написано - мощность (Power) 2,2 кВт, значит 2200 Вт (W) - Ватт, делим на напряжение (Voltage) 220 В (V) - Вольт, получаем 10 А (Ампер) - ток, который течёт при работе чайника. Теперь напряжение (220 Вольт) делим на рабочий ток (10 Ампер), получаем сопротивление чайника - 22 Ом (Ома).

По аналогии с водой, сопротивление похоже на трубу заполненную пористым веществом. Чтобы продавить воду через эту пещеристую трубку необходимо определённое давление (напряжение), а количество жидкости (ток) будет зависеть от двух факторов: этого давления, и того, насколько проходима трубка (её сопротивления). Такое сравнение подходит нагревательным и осветительным приборам, и называется АКТИВНЫМ сопротивлением, а сопротивление катушек эл. двигателей, трансформаторов и эл. магнитов работает иначе (об этом несколько позже).

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ, АВТОМАТЫ, ТЕРМОРЕГУЛЯТОРЫ

Если сопротивление отсутствует, то ток стремится увеличиться до бесконечности и расплавляет провод - это называется коротким замыканием (КЗ). Чтобы защитить от этого эл. проводку ставятся предохранители или автоматические выключатели (автоматы). Принцип действия предохранителя (вставка плавкая) предельно прост, это умышленно-тонкое место в эл. цепи, а где тонко - там рвётся. В керамическом термостойком цилиндре вставлена тонкая медная проволока. Толщина (сечение) проволоки значительно тоньше эл. проводки. Когда ток превышает допустимый предел - проволока перегорает и "спасает" провода. В рабочем режиме проволока может сильно нагреваться, поэтому для её охлаждения внутри предохранителя засыпан песок.

Но чаще для защиты эл.проводки используются не предохранители, а автоматические выключатели (автоматы). Автоматы имеют две функции защиты. Одна срабатывает, когда в сеть включают слишком много электроприборов и ток превышает допустимый предел. Это биметаллическая пластина, изготовленная из двух слоёв разных металлов, которые при нагревании расширяются не одинаково, один больше, другой меньше. Через эту пластину проходит весь рабочий ток, и когда он превышает предел, то она нагревается, выгибается (из-за неоднородности) и размыкает контакты. Автомат обычно не сразу удаётся включить обратно, потому что пластина ещё не остыла.

(Такие пластины широко применяются и в термо-датчиках защищающих многие бытовые приборы от перегрева и перегорания. Разница лишь в том, что пластину нагревает не проходящий через неё запредельный ток, а непосредственно сам нагревательный элемент прибора, к которому датчик плотно привинчен. В приборах с желаемой температурой (утюги, обогреватели, стиральные машины, водонагреватели) предел отключения устанавливается ручкой термо-регулятора, внутри которого тоже есть биметаллическая пластина. Она, то размыкает, то замыкает контакты поддерживая заданную температуру. Как если, не меняя силу огня конфорки, то ставить на него чайник, то снимать.)

Ещё внутри автомата есть катушка из толстого медного провода, через которую тоже проходит весь рабочий ток. При коротком замыкании сила магнитного поля катушки достигает мощности, которая сжимает пружину и втягивает подвижный стальной стержень (сердечник) установленный внутри неё, а он мгновенно выключает автомат. В рабочем режиме силы катушки недостаточно, чтобы сжать пружину сердечника. Таким образом автоматы обеспечивают защиту от короткого замыкания (КЗ), и от длительной перегрузки.

РАЗНОВИДНОСТЬ ПРОВОДОВ

Провода электропроводки бывают алюминиевыми или медными. От их толщины (сечения в квадратных миллиметрах) зависит максимально допустимый ток. Например, 1 квадратный миллиметр меди выдерживает 10 Ампер. Типовые стандарты сечения проводов: 1,5; 2,5; 4 "квадрата" - соответственно: 15; 25; 40 Ампер - их допустимые длительные токовые нагрузки. Алюминиевые провода выдерживают ток меньше приблизительно в полтора раза. Основная масса проводов имеет виниловую изоляцию, которая плавится при перегревании провода. В кабелях используется изоляция из более тугоплавкой резины. А бывают провода с фторопластовой (тефлоновой) изоляцией, которая не плавится даже в огне. Такие провода могут выдерживать бОльшие токовые нагрузки, чем провода имеющие ПВХ изоляцию. Провода для высокого напряжения имеют толстую изоляцию, например на автомобилях в системе зажигания.

СВОЙСТВА ТОКА

Для электрического тока необходима замкнутая цепь. По аналогии с велосипедной, где ведущая звезда с педалями соответствует источнику эл. энергии (генератору или трансформатору), звезда на заднем колесе - электроприбор, который мы включаем в сеть (обогреватель, чайник, пылесос, телевизор и т.п.). Верхний отрезок цепи, который передаёт усилие с ведущей на заднюю звезду аналогичен потенциалу с напряжением - фазе, а нижний отрезок, который пассивно возвращается - нулевому потенциалу - нулю. Поэтому в розетке два отверстия (ФАЗА и НОЛЬ), как в системе водяного отопления - приходящая труба, по которой поступает кипяток, и обратка - по ней уходит вода отдавшая тепло в батареях (радиаторах).

Токи бывают двух видов - постоянный и переменный. Естественный постоянный ток, который течёт в одном направлении (подобно воде в отопительной системе или велосипедной цепи) производят только химические источники энергии (батарейки и аккумуляторы). Для более мощных потребителей (например, трамваев и троллейбусов) его "выпрямляют" из переменного тока посредством полупроводниковых диодных "мостов", которые можно сравнить с защёлкой дверного замка - в одну сторону пропускают, в другую - запираются. Но такой ток получается неровным, а пульсирующим, как пулемётная очередь или отбойный молоток. Для сглаживания импульсов ставятся конденсаторы (ёмкость). Их принцип можно сравнить с большой полной бочкой, в которую льётся "рваная" и прерывистая струя, а из её крана снизу вода вытекает стабильно и ровно, и чем больше объём бочки - тем качественнее струя. Ёмкость конденсаторов измеряется в ФАРАДах.

Во всех бытовых сетях (квартирах, домах, офисных зданиях и на производстве) ток переменный, его легче вырабатывать на электростанциях и трансформировать (понижать или повышать). А большинство эл. двигателей могут работать только на нём. Он течёт туда-обратно, как если набрать в рот воды, вставить длинную трубочку (соломинку), другой её конец погрузить в полное ведро, и попеременно, то выдувать, то втягивать воду. Тогда рот будет аналогичен потенциалу с напряжением - фазе, а полное ведро - нулём, который сам по себе не активен и не опасен, но без него невозможно движение жидкости (тока) в трубке (проводе). Или, как при распиливании бревна ножовкой, где рука будет фазой, амплитуда движения - напряжением (В), усилие руки - током (А), энергичность - частотой (Гц), а само бревно - эл. прибором (обогревателем или эл. двигателем), только вместо распиливания - полезная работа. Половой акт тоже подходит для образного сравнения, мужчина - "фаза", женщина - НОЛЬ!, амплитуда (длина) - напряжение, толщина - ток, скорость - частота.

Количество колебаний всегда неизменно, и всегда такое, какое производится на электростанции и подаётся в сеть. В Российских сетях число колебаний - 50 раз в секунду, и называется частотой переменного тока (от слова чАсто, а не чИсто). Единица измерения частоты - ГЕРЦы (Гц), то есть в наших розетках всегда 50 Гц. В некоторых странах частота в сетях 100 Герц. От частоты зависит скорость вращения большинства эл. двигателей. На 50-ти Герцах максимальное число оборотов - 3000 об/мин. - на трёх-фазном питании и 1500 об/мин. - на однофазном (бытовом). Переменный ток также необходим для работы трансформаторов, которые понижают высокое напряжение (10 000 Вольт) до обычного бытового или промышленного (220/380 Вольт) на электро-подстанциях. А также для малых трансформаторов в электронной аппаратуре, которые понижают 220 Вольт до 50, 36, 24 Вольт и ниже.

ТРАНСФОРМАТОР

Трансформатор состоит из электротехнического железа (набранного из пакета пластин), на котором через изолирующую катушку намотан провод (медная проволока покрытая лаком). Одна обмотка (первичная) выполнена из тонкого провода, но с большим числом витков. Другая (вторичная) намотана через слой изоляции поверх первичной (или на соседней катушке) из толстого провода, но с малым числом витков. На концы первичной обмотки приходит высокое напряжение, и вокруг железа возникает переменное магнитное поле, которое наводит ток во вторичной обмотке. Во сколько раз в ней (вторичной) меньше витков - во столько же будет ниже напряжение, а во сколько раз толще провод - во столько больший ток можно снимать. Как если, бочка с водой будет наполняться тонкой струёй, но с огромным напором, а снизу из большого крана будет вытекать толстая струя, но с умеренным напором. Аналогичным образом трансформаторы могут быть наоборот - повышающими.

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В нагревательных элементах, в отличии от трансформаторных обмоток, бОльшему напряжению будет соответствовать не количество витков, а длина нихромовой проволоки, из которой сделаны спирали и тэны. Например, если распрямить спираль электрической плитки на 220 Вольт, то длина проволоки будет примерно равна 16-20 метрам. То есть, чтобы намотать спираль на рабочее напряжение 36 Вольт, нужно 220 разделить на 36, получится 6. Значит длина проволоки спирали на 36 Вольт будет в 6 раз короче, примерно 3 метра. Если спираль интенсивно обдувается вентилятором, то она может быть в 2 раза короче, потому что поток воздуха сдувает с неё тепло и не даёт перегореть. А если наоборот закрыта, то длиннее, иначе перегорит от недостатка теплоотдачи. Можно, к примеру, включить два тэна на 220 Вольт одинаковой мощности последовательно в 380 Вольт (между двух фаз). И тогда каждый из них будет под напряжением 380: 2 = 190 Вольт. То есть на 30 Вольт меньше расчётного напряжения. В таком режиме они будут греться немного (на 15%) послабее, зато никогда не перегорят. Так же и с лампочками, например, можно последовательно соединить 10 одинаковых лампочек на 24 Вольта, и включить их гирляндой в сеть 220 Вольт.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Передавать электроэнергию на большие расстояния (от гидро или атомной электростанции до города) целесообразно только под большим напряжением (100 000 Вольт) - так толщину (сечение) проводов на опорах воздушных линий электропередач можно сделать минимальной. Если бы электроэнергию передавали сразу под небольшим напряжением (как в розетках - 220 Вольт), то провода воздушных линий пришлось бы делать толщиной с брёвна, и никаких запасов алюминия на это не хватило бы. К тому же высокое напряжение легче преодолевает сопротивление провода и контактов соединений (у алюминия и меди оно ничтожно, но на длине в десятки километров всё же набегает прилично), подобно несущемуся на бешеной скорости мотоциклисту, который легко перелетает через ямы и овражки.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ТРЁХФАЗНОЕ ПИТАНИЕ

Одна из основных потребностей в переменном токе - асинхронные эл. двигатели, широко распространённые из-за своей простоты и надёжности. Их роторы (вращающаяся часть двигателя) не имеют обмотки и коллектора, а представляют собой просто болванки из электротехнического железа, в котором прорези для обмотки залиты алюминием - в таком исполнении нечему ломаться. Вращаются они за счёт переменного магнитного поля создаваемого статором (неподвижной частью эл. двигателя). Для обеспечения правильной работы эл. двигателей такого типа (а их подавляющее большинство) повсеместно преобладает 3-х фазное питание. Фазы, как три сестры-близняшки ничем не отличаются. Между каждой из них и нулём - напряжение 220 Вольт (В), частота каждой 50 Герц (Гц). Отличаются они только сдвигом во времени и "именами" - А,В,С.

Графическое изображение переменного тока одной фазы изображается в виде волнообразной линии, которая виляет змеёй через прямую - разделяющую эти зигзаги пополам на равные части. Верхние волны отображают движение переменного тока в одну, нижние - в другую стороны. Высота вершин (верхних и нижних) соответствует напряжению (220 В), потом график спадает до нуля - прямой линии (протяжённость которой отображает время) и снова достигает вершины (220 В) с нижней стороны. Расстояние между волнами вдоль прямой линии выражает частоту (50 Гц). Три фазы на графике представляют собой три волнообразных линии наложенных друг на друга, но с отставанием, то есть, когда волна одной достигает пика, другая уже идёт на спад, и так поочерёдно - как упавший на пол гимнастический обруч или крышка кастрюли. Этот эффект необходим для создания вращающегося магнитного поля в трёх-фазных асинхронных двигателях, которое и раскручивает их подвижную часть - ротор. Это аналогично велосипедным педалям, на которые ноги подобно фазам давят попеременно, только здесь как бы три педали расположенных относительно друг друга под углом 120 градусов (как эмблема "Мерседеса" или трёх-лопастной пропеллер самолёта).

Три обмотки эл. двигателя (для каждой фазы своя) на схемах изображаются так же, наподобие пропеллера с тремя лопастями, одними концами соединённые в общей точке, другими с фазами. Обмотки трёх-фазных трансформаторов на подстанциях (которые понижают высокое напряжение до бытового) соединёны так же, а НОЛЬ идёт из общей точки соединения обмоток (нейтраль трансформатора). Генераторы вырабатывающие эл. энергию имеют аналогичную схему. В них механическое вращение ротора (посредством гидро или паровой турбины) преобразуется в электроэнергию на электростанциях (а в небольших передвижных генераторах - посредством двигателя внутреннего сгорания). Ротор своим магнитным полем наводит электрический ток в трёх обмотках статора с отставанием в 120 градусов по окружности (как эмблема "Мерседеса"). Получается трёх-фазный переменный ток с разновременной пульсацией, создающей вращающееся магнитное поле. Электродвигатели же наоборот - трёх-фазный ток через магнитное поле превращают в механическое вращение. Провода обмоток не обладают сопротивлением, но ток в обмотках ограничивает магнитное поле создаваемое их витками вокруг железа, наподобие силе тяжести, действующей на едущего в гору велосипедиста и не позволяющей ему разгоняться. Сопротивление магнитного поля ограничивающего ток называется ИНДУКТИВНЫМ.

За счёт отставания фаз друг от друга и достижения ими пикового напряжения в разные мгновения, между ними получается разность потенциалов. Это называется линейным напряжением, и в бытовых сетях составляет 380 Вольт (В). Линейное (межфазное) напряжение всегда больше фазного (между фазой и нулём) в 1,73 раза. Этот коэффициент (1,73) широко применяется в расчётных формулах трёх-фазных систем. Например, ток каждой фазы эл. двигателя = мощность в Ваттах (Вт) разделить на линейное напряжение (380 В) = общий ток во всех трёх обмотках, который ещё делим на коэффициент (1,73), получаем ток на каждой фазе.

Трёх-фазное питание создающее вращательный эффект для эл. двигателей, по причине всеобщего стандарта обеспечивает электроснабжение и на бытовых объектах (жилых, офисных, торговых, учебных зданиях) - там, где эл. двигатели не используется. Как правило, 4-х проводные кабели (3 фазы и ноль) приходят на общие распределительные щитки, а оттуда расходятся парами (1 фаза и ноль) по квартирам, офисам, и др. помещениям. Из-за неравенства токовых нагрузок в разных помещениях часто перегружается общий ноль, который приходит на эл. щиток. Если он перегреется и отгорит, то получается, что, к примеру, соседние квартиры включены последовательно (так как они соединены нулями на общей контактной планке в эл. щитке) между двух фаз (380 Вольт). И если у одного соседа работают мощные эл. приборы (такие, как чайник, обогреватель, стиральная машина, водонагреватель), а у другого мало-мощные (телевизор, компьютер, аудио-техника), то более мощные потребители первого, из-за малого сопротивления, станут хорошим проводником, и в розетках другого соседа вместо нуля появится вторая фаза, и напряжение будет свыше 300 Вольт, которое сразу сожжёт его аппаратуру, в том числе и холодильник. Поэтому желательно регулярно проверять надёжность контакта приходящего из питающего кабеля нуля с общим распределительным эл.щитом. И если он греется, то отключить автоматы всех квартир, зачистить нагар и капитально затянуть контакт общего нуля. При относительно равных нагрузках на разных фазах - бОльшую долю обратных токов (через общую точку соединения нулей потребителей) взаимо-поглотят соседние фазы. В трёх-фазных эл. двигателях токи фаз равны и полностью уходят через соседние фазы, поэтому ноль им вообще не нужен.

Одно-фазные эл. двигатели работают от одной фазы и нуля (например, в бытовых вентиляторах, стиральных машинах, холодильниках, компьютерах). В них, чтобы создать два полюса - обмотка разделена пополам и расположена на двух противоположных катушках с разных сторон ротора. А для создания вращательного момента необходима вторая (пусковая) обмотка, намотанная так же на двух противоположных катушках и своим магнитным полем пересекает поле первой (рабочей) обмотки под 90 градусов. Пусковая обмотка имеет в цепи конденсатор (ёмкость), который сдвигает её импульсы и как бы искусственно эмитирует вторую фазу, благодаря которой и создаётся вращательный момент. Из-за необходимости делить обмотки пополам - скорость вращения асинхронных однофазных эл. двигателей не может быть больше 1500 об/мин. В трёх-фазных эл. двигателях катушки могут быть едиными, располагаясь в статоре через 120 градусов по окружности, тогда максимальная скорость вращения будет 3000 об/мин. А если они разделены пополам каждая, то получится 6 катушек (по две на фазу), тогда скорость будет в 2 раза меньше - 1500 об.мин., а сила вращения в 2 раза больше. Может быть и 9 катушек, и 12, соответственно 1000 и 750 об/мин., с увеличением силы во столько же раз, во сколько меньше число оборотов в минуту. Обмотки однофазных двигателей тоже могут быть раздроблены больше чем пополам с аналогичным уменьшением скорости и увеличением силы. То есть, низко-оборотный двигатель труднее удержать чем-либо за вал ротора, чем высокооборотный.

Есть ещё один распространённый тип эл. двигателей - коллекторные. Их роторы несут на себе обмотку и контактный коллектор, на который через медно-графитовые "щётки" приходит напряжение. Она (обмотка ротора) создаёт своё магнитное поле. В отличии от пассивно раскручиваемой железно-алюминиевой "болванки" асинхронного эл. двигателя, магнитное поле обмотки ротора коллекторного движка активно отталкивается от поля его статора. У таких эл. двигателей другой принцип работы - подобно двум одноимённым полюсам магнита, ротор (вращающаяся часть эл. двигателя) стремится оттолкнуться от статора (неподвижной части). А так как вал ротора прочно зафиксирован двумя подшипниками на концах, то от "безысходности" ротор активно выкручивается. Эффект аналогичен белке в колесе, которая чем быстрее бежит - тем стремительнее раскручивается барабан. Поэтому такие эл. двигатели имеют гораздо бОльшие и регулируемые в широком диапазоне обороты, чем асинхронные. К тому же они, при той же мощности, значительно компактнее и легче, не зависят от частоты (Гц) и работают как на переменном, так и на постоянном токе. Применяются, как правило, в мобильных агрегатах: электровозы поездов, трамваи, троллейбусы, электромобили; а так же во всех переносных эл. приборах: эл.дрели, болгарки, пылесосы, фены... Но значительно уступают в простоте и надёжности асинхронникам, которые применяются в основном на стационарном электрооборудовании.

ОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Электрический ток может преобразовываться в СВЕТ (посредством прохождения через нить накала, люминесцирующий газ, кристаллы светодиодов), ТЕПЛО (преодолевая сопротивление проволоки из нихрома с неизбежным её нагревом, которая используется во всех нагревательных элементах), МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ (через создаваемое эл. катушками магнитного поля в эл. двигателях и эл. магнитах, которые соответственно вращают и втягивают). Однако, эл. ток таит в себе смертельную опасность для живого организма, через который он может пройти.

Некоторые люди говорят: "Меня било 220 Вольт". Это не верно, потому что ущерб наносит не напряжение, а ток, который проходит через тело. Его величина, при одном и том же напряжении, может в десятки раз отличаться по ряду причин. Огромное значение имеет и путь его прохождения. Чтобы через организм пошёл ток, необходимо быть частью электрической цепи, то есть, стать его проводником, а для этого Вы должны прикоснуться к двум разным потенциалам одновременно (фазе и нулю - 220 В, или двум разноимённым фазам - 380 В). Самые распространённые опасные протекания тока - от одной руки к другой, или от левой руки к ногам, потому что так путь проляжет через сердце, которое может остановиться от силы тока всего в одну десятую Ампера (100 миллиампер). А если, к примеру, коснуться разными пальцами одной руки оголённых контактов розетки - ток пройдёт от пальца к пальцу, а тело не затронет (если конечно ноги стоят на НЕ проводящем полу).

Роль нулевого потенциала (НУЛЯ) может сыграть земля - в буквальном смысле сама поверхность почвы (особенно сырая), либо металлическая или железобетонная конструкция, которая врыта в землю или имеет с ней значительную площадь соприкосновения. Совсем необязательно хвататься обеими руками за разные провода, можно просто стоя босиком или в плохой обуви на сырой земле, бетонном или металлическом полу коснуться любой частью тела оголённого провода. И мгновенно от этой части, через тело к ногам потечёт коварный ток. Даже если пойти по нужде в кусты и струёй ненароком попасть по оголённой фазе, то путь тока проляжет через (солёную и гораздо более проводимую) струю мочи, половую систему и ноги. Если же на ногах сухая обувь на толстой подошве или сам пол деревянный, то НУЛЯ не будет и ток не потечёт даже если Вы зубами вцепитесь в один оголённый ФАЗНЫЙ провод под напряжением (яркое тому подтверждение - птицы сидящие на неизолированных проводах).

Величина тока в значительной степени зависит и от площади прикосновения. Например, можно слегка дотронуться сухими кончиками пальцев до двух фаз (380 В) - ударит, но не смертельно. А можно схватиться за два медных толстых прутка, к которым подведено всего 50 Вольт, обеими мокрыми кистями рук - площадь соприкосновения + сырость обеспечат проводимость в десятки раз большую, нежели в первом случае, и величина тока будет смертельной. (Мне доводилось видеть электрика, у которого пальцы были настолько заскорузлыми, сухими и мозолистыми, что он, как в перчатках, спокойно работал под напряжением.) К тому же, когда человек касается напряжения кончиками пальцев или тыльной стороной ладони, то он рефлекторно отдёргивается. Если же схватиться как за поручни, то напряжение вызывает сокращение мышц кистей и человек вцепляется с силой, на которую никогда не был способен, и его уже никто не сможет оторвать пока не отключат напряжение. А время воздействия (миллисекунды или секунды) электрического тока - тоже весьма значимый фактор.

Например, на электрическом стуле человеку на предварительно выбритую голову одевают (через смоченную специальным, хорошо проводящим раствором тряпичную прокладку) плотно затягивающийся широкий металлический обруч, к которому присоединён один провод - фазный. Второй потенциал подключают к ногам, на которых (на голени около лодыжек) плотно затянуты широкие металлические хомуты (опять же с мокрыми спец-прокладками). За предплечья приговорённый надёжно фиксируется к подлокотникам стула. При включении рубильника, между потенциалами головы и ног появляется напряжение 2000 Вольт! Подразумевается, что при получаемой силе тока и его пути прохождения, потеря сознания происходит мгновенно, а остальное время "дожигания" тела гарантирует гибель всех жизненно-важных органов. Только пожалуй, сама процедура приготовления подвергает несчастного такому запредельному стрессу, что сам электро-удар становится избавлением. Но не пугайтесь - в нашем государстве такой казни пока нет...

И так, опасность удара эл. током зависит от: напряжения, пути протекания тока, сухих или влажных (пот из-за солей имеет хорошую проводимость) частей тела, площади контакта с оголёнными проводниками, изолированности ног от земли (качество и сухость обуви, сырость почвы, материал полов), времени воздействия тока.

Но, чтобы попасть под напряжение не обязательно хвататься за оголённый провод. Может случиться так, что изоляция обмотки электро-агрегата нарушится, и тогда ФАЗА окажется на его корпусе (если он металлический). Например, был в соседнем доме такой случай - мужчина жарким летним днём взобрался на старый железный холодильник, сел на него голыми, потными (и соответственно солёными) ляжками, и принялся сверлить потолок электродрелью, держась второй рукой за её металлическую часть возле патрона... То-ли он попал в арматуру (а она обычно приварена к общему заземляющему контуру здания, что равноценно НУЛЮ) бетонной плиты потолка, то-ли в собственную эл.проводку?? Только свалился замертво, сражённый наповал чудовищным ударом электрического тока. Комиссия обнаружила на корпусе холодильника ФАЗУ (220 вольт), которая появилась на нём из-за нарушения изоляции обмотки статора компрессора. Пока не коснёшься одновременно корпуса (с притаившейся фазой) и нуля или "земли" (например, железной водопроводной трубы) - ничего не произойдёт (на полу ДСП и линолеум). Но, как только "найдётся" второй потенциал (НОЛЬ или другая ФАЗА) - удар неизбежен.

Для предотвращения подобных несчастных случаев делается ЗАЗЕМЛЕНИЕ. То есть, через специальный защитный заземляющий провод (жёлто-зелёного цвета) на металлические корпуса всех эл. приборов присоединяется НУЛЕВОЙ потенциал. Если изоляция нарушится и ФАЗА коснётся корпуса, то мгновенно произойдёт короткое замыкание (КЗ) с нулём, в результате этого автомат разорвёт цепь и фаза не останется незамеченной. Поэтому электротехника перешла на трёх-проводную (фаза - красный или белый, ноль - голубой, земля - жёлто-зелёный провода) проводку в однофазном эл.питании, и пяти-проводную в трёхфазном (фазы - красный, белый, коричневый). В так называемых евро-розетках кроме двух гнёзд добавились ещё и заземляющие контакты (усы) - к ним присоединяется жёлто-зелёный провод, а на евро-вилках кроме двух штырей есть контакты, с которых тоже жёлто-зелёный (третий) провод идёт на корпус электроприбора.

Чтобы не устраивать КЗ, последнее время широко применяются УЗО (устройство защитного отключения). УЗО сравнивает фазный и нулевой токи (сколько вошло и сколько вышло), и когда появляется утечка, то есть, либо нарушилась изоляция, и обмотка двигателя, трансформатора или спираль нагревателя "прошивает" на корпус, либо вообще человек прикоснулся к токо-ведущим частям, то "нулевой" ток будет меньше фазного и УЗО мгновенно отключится. Такой ток называется ДИФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ, то есть сторонним ("левым") и не должен превышать смертельную величину - 100 миллиампер (1 десятую Ампера), а для бытового однофазного питания этот предел обычно 30 mA. Такие устройства обычно ставятся на вводе (последовательно с автоматами) проводки питающей сырые опасные помещения (например ванной комнаты) и защищают от удара эл.током от рук - на "землю" (пол, ванну, трубы, воду). От прикосновения двумя руками за фазу и рабочий ноль (при НЕ проводящем полу) УЗО не сработает.

Заземляющий (жёлто-зелёный провод) приходит от одной точки с нулём (с общей точки соединения трёх обмоток трёх-фазного трансформатора, которая ещё присоединёна к большому металлическому стержню, глубоко врытому в землю - ЗАЗЕМЛЕНИЮ на питающей микрорайон эл.подстанции). Практически, это тот же ноль, но "освобождённый" от работы, просто "охранник". Так что, за отсутствием заземляющего провода в проводке, можно использовать нулевой провод. А именно - в евро-розетке поставить перемычку с нулевого провода на заземляющие "усы", тогда при нарушении изоляции и утечке на корпус сработает автомат и отключит потенциально-опасный прибор.

А можно изготовить заземление самостоятельно - вбить глубоко в землю пару-тройку ломов, пролить очень солёным раствором и присоединить заземляющий провод. Если присоединить его к общему нулю на вводе (до УЗО), то он будет надёжно предохранять от появления в розетках второй ФАЗЫ (описывалось выше) и сгорания бытовой аппаратуры. Если же нет возможности дотянуть его до общего нуля, например в частном доме, то на свой ноль следует поставить автомат, как на фазе, иначе при отгорании общего нуля в распред-щите, ток соседей пойдёт через Ваш ноль на самодельное заземление. А с автоматом поддержка соседям будет оказана только до его предела и Ваш ноль не пострадает.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Ну вот, кажется все основные распространённые нюансы электричества не касающегося профессиональной деятельности я описал. Более глубокие подробности потребуют ещё более длинного текста. Насколько понятно и доходчиво получилось - судить тем, кто вообще далёк и некомпетентен в этой теме (был:-).

Низкий поклон и светлая память великим физикам Европы, увековечившим свои имена в единицах измерения параметров электрического тока: Александро Джузеппе Антонио Анастасио ВОЛЬТА - Италия (1745-1827); Андре Мари АМПЕР - Франция (1775-1836); Георг Симон ОМ - Германия (1787-1854); Джеймс УАТТ - Шотландия (1736-1819); Генрих Рудольф ГЕРЦ - Германия (1857- 1894); Майкл ФАРАДЕЙ - Англия (1791-1867).

СТИХОТВОРЕНИЕ ПРО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК:

Погоди, не теки, потолкуем чуток.
Ты постой, не спеши, лошадей не гони.
Мы с тобой в этот вечер в квартире одни.

Электрический ток, электрический ток,
Напряженьем похожий на Ближний Восток,
С той поры, как увидел я Братскую ГЭС,
Зародился к тебе у меня интерес.

Электрический ток, электрический ток,
Говорят, ты порою бываешь жесток.
Может жизни лишить твой коварный укус,
Ну и пусть, все равно я тебя не боюсь!

Электрический ток, электрический ток,
Утверждают, что ты - электронов поток,
И болтает к тому же досужий народ,
Что тобой управляют катод и анод.

Я не знаю, что значит «анод» и «катод»,
У меня и без этого много забот,
Но пока ты течешь, электрический ток,
Не иссякнет в кастрюле моей кипяток.

Игорь Иртеньев 1984

Содержание:

Существует множество понятий, которые нельзя увидеть собственными глазами и потрогать руками. Наиболее ярким примером служит электротехника, состоящая из сложных схем и малопонятной терминологии. Поэтому очень многие просто отступают перед трудностями предстоящего изучения этой научно-технической дисциплины.

Получить знания в этой области помогут основы электротехники для начинающих, изложенные доступным языком. Подкрепленные историческими фактами и наглядными примерами, они становятся увлекательными и понятными даже для тех, кто впервые столкнулся с незнакомыми понятиями. Постепенно продвигаясь от простого к сложному, вполне возможно изучить представленные материалы и использовать их в практической деятельности.

Понятия и свойства электрического тока

Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.

Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.

Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:

Нагревание проводника, по которому протекает ток.
Изменение химического состава проводника под действием тока.
Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.

Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором - периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах

Основные токовые величины

При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется , измеряемой в амперах .

Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как . Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица - вольт . Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.

Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление , измеряемое в омах . Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока - 1 А.

Закон Ома

Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и . Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.

Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:

Сила тока: I = U/R (ампер).
Напряжение: U = I x R (вольт).
Сопротивление: R = U/I (ом).

Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким - на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов - напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.

Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.

Энергия и мощность в электротехнике

В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность , связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.

Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит . Он означает перемещение одним вольтом через сопротивление в один ом.

Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.

Электрика для чайников: основы электроники

Каждый из нас, когда начинает увлекаться чем-то новым, сразу кидается в «пучину страсти» пытаясь выполнить или реализовать непростые проекты самоделок . Так было и со мной, когда я увлекся электроникой. Но как обычно бывает – первые неудачи поубавили запал. Однако отступать я не привык и начал систематически (буквально с азов) постигать таинства мира электроники. Так и родилось «руководство для начинающих технарей»

Шаг 1: Напряжение, ток, сопротивление

Эти понятия являются фундаментальными и без знакомства с ними продолжать обучение основам было бы бессмысленно. Давайте просто вспомним, что каждый материал состоит из атомов, а каждый атом в свою очередь имеет три типа частиц. Электрон — одна из этих частицы, имеет отрицательный заряд. Протоны же имеют положительный заряд. В проводящих материалах (серебро, медь, золото, алюминий и т.д.) есть много свободных электронов, которые перемещаются хаотично. Напряжение является той силой, которая заставляет электроны перемещаться в определенном направлении. Поток электронов, который движется в одном направлении, называется током. Когда электроны перемещаются по проводнику, то они сталкиваются с неким трением. Это трение называют сопротивлением. Сопротивление «ужимает» свободное перемещения электронов, таким образом снижая величину тока.

Более научное определение тока – скорость изменения количество электронов в определенном направлении. Единица измерения тока — Ампер (I). В электронных схемах протекающий ток лежит в диапазоне миллиампера (1 ампер = 1000 миллиампер). Например, свойственный ток для светодиода 20mA.

Единица измерения напряжения – Вольт (В). Батарея – является источником напряжения. Напряжение 3В, 3.3В, 3.7В и 5В является наиболее распространенным в электронных схемах и устройствах.

Напряжение является причиной, а ток – результатом.

Единица измерения сопротивления – Ом (Ω).

Шаг 2: Источник питания

Аккумуляторная батарея — источник напряжения или «правильно» источник электроэнергии. Батарея производит электроэнергию за счет внутренней химической реакции. На внешней стороне у неё присутствуют две клеммы. Одна из них является положительным выводом (+ V), а другая отрицательным (-V), или «землёй». Обычно источники питания бывают двух типов.

Батареи;
Аккумуляторы.

Батарейки используются один раз, а затем утилизируются. Аккумуляторы могут быть использованы несколько раз. Батарейки бывают разных форм и размеров, от миниатюрных, используемых для питания слуховых аппаратов и наручных часов до батарей размером с комнату, которые обеспечивают резервное питание для телефонных станций и компьютерных центров. В зависимости от внутреннего состава источники питания могут быть разных типов. Несколько наиболее распространённых типов, используемых в робототехнике и технических проектах:

Батареи 1,5 В

Батарейки с таким напряжением могут иметь различные размеры. Наиболее распространённые размеры АА и ААА. Диапазон ёмкости от 500 до 3000 мАч.

3В литиевая «монетка»

Все эти литиевые элементы рассчитаны номинально на 3 В (при нагрузке) и с напряжением холостого хода около 3,6 вольт. Ёмкость может достигать от 30 до 500мAч. Широко используется в карманных устройствах за счёт их крошечных размеров.

Никель-металлогидридные (NiМГ)

Эти батареи имеют высокую плотность энергии и могут заряжаться почти мгновенно. Другая важная особенность — цена. Такие аккумуляторы дешёвые (в сравнение с их размерами и ёмкостями). Этот тип батареи часто используется в робототехнических самоделках .

3.7 В литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Они имеют хорошую разряжающую способность, высокую плотность энергии, отличную производительность и небольшой размер. Литий-полимерный аккумулятор широко используется в робототехнике.

9-вольтовая батарея

Наиболее распространенная форма — прямоугольная призма с округленными краями и клеммами, что расположены сверху. Ёмкость составляет около 600 мАч.

Свинцово-кислотные

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются рабочей лошадкой всей радио-электронной промышленности. Они невероятно дешёвы, перезаряжаются и их легко купить. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются в машиностроении, UPS (источниках бесперебойного питания), робототехнике и других системах, где необходим большой запас энергии, а вес не так важен. Наиболее распространенными являются напряжения 2В, 6В, 12В и 24В.

Последовательно-параллельное соединение батарей

Источник питания может быть подключен последовательно или параллельно. При подключении последовательно величина напряжения увеличивается, а когда подключение параллельное – увеличивается текущая величина тока.

Существует два важных момента относительно батарей:

Емкость является мерой (как правило, в Aмп-ч) заряда, хранящейся в батарее, и определяется массой активного материала, содержащегося в ней. Ёмкость представляет собой максимальное количество энергии, которую можно извлечь при определенно заданных условиях. Тем не менее, фактические возможности хранения энергии аккумулятора могут значительно отличаться от номинального заявленного значения, а ёмкость батареи сильно зависит от возраста и температуры, режимов зарядки или разрядки.

Ёмкость батареи измеряется в ватт-часах (Вт*ч), киловатт-часах (кВт-ч), ампер-часах (А*ч) или миллиампер-час (мА * ч). Ватт-час – это напряжение (В) умноженное на силу тока(I) (получаем мощность – единица измерения Ватты (Вт)), которое может выдавать батарея определенный период времени (как правило, 1 час). Так как напряжение фиксируемое и зависит от типа аккумулятора (щелочные, литиевые, свинцово-кислотные, и т.д.), часто на внешней оболочке отмечают лишь Ач или мАч (1000 мАч = 1Aч). Для более продолжительной работы электронного устройства необходимо брать батареи с низким током утечки. Чтобы определить срок службы аккумулятора, разделите ёмкость на фактический ток нагрузки. Цепь, которая потребляет 10 мА и питается от 9-вольтной батареи будет работать около 50 часов: 500 мАч / 10 мА = 50 часов.

Во многих типах аккумуляторов, вы не можете «забрать» энергию полностью (другими словами, аккумулятор не может быть полностью разряжен), не нанося серьезный, и часто непоправимый ущерб химическим составляющим. Глубина разрядки (DOD) аккумулятора определяет долю тока, которая может быть извлечена. Например, если DOD определено производителем как 25%, то только 25% от ёмкости батареи может быть использовано.

Темпы зарядки/разрядки влияют на номинальную ёмкость батареи. Если источник питания разряжается очень быстро (т.е., ток разряда высокий), то количество энергии, которое может быть извлечено из батареи снижается и ёмкость будет ниже. С другой стороны если батарея разряжается очень медленно (используется низкий ток), то ёмкость будет выше.

Температура батареи также будет влиять на ёмкость. При более высоких температурах ёмкость аккумулятора, как правило, выше, чем при более низких температурах. Тем не менее, намеренное повышение температуры не является эффективным способом повышения ёмкости аккумулятора, так как это также уменьшает срок службы самого источника питания.

С-Ёмкость: Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно её емкости. Большинство батарей, за исключением свинцово-кислотных, оценено в 1C. Например, батарея с ёмкостью 1000mAh, выдает 1000mA в течение одного часа, если уровень – 1C. Та же батарея, с уровнем 0.5C, выдает 500mA в течение двух часов. С уровнем 2C, та же батарея выдает 2000mA в течение 30 минут. 1C часто упоминается как одночасовой разряд; 0.5C – как двухчасовой и 0.1C – как 10-часовой.

Ёмкость батареи обычно измеряется с помощью анализатора. Анализаторы тока отображают информацию в процентах отталкиваясь от значения номинальной ёмкости. Новая батарея иногда выдает больше 100 % тока. В таком случае, батарея просто оценена консервативно и может выдержать более длительное время, чем указанно производителем.

Зарядное устройство может быть подобрано с точки зрения ёмкости батареи или величины C. Например зарядное устройство с номиналом C/10 полностью зарядит батарею через 10 часов, зарядное устройство с номиналом в 4C, зарядило бы аккумулятор через 15 минут. Очень быстрые темпы зарядки (1 час или менее) обычно требуют того, чтобы зарядное устройство тщательно контролировало параметры аккумулятора, такие как предельное напряжение и температура, чтобы предотвратить перезаряд и повреждения батареи.

Напряжение гальванического элемента определяется химическими реакциями, что проходят внутри него. Например, щелочные элементы – 1.5 В, все свинцово- кислотные – 2 В, а литиевые – 3 В. Батареи могут состоять из нескольких ячеек, поэтому вы редко, где сможете увидеть 2-вольтовую свинцово-кислотную батарею. Обычно они соединены вместе внутри, чтобы выдавать 6 В, 12 В или 24 В. Не стоит забывать о том, что номинальное напряжение в «1.5-вольтовой» батарее типа AA фактически начинается с 1.6 В, затем быстро опускается к 1.5, после чего медленно дрейфует вниз к 1.0 В, при котором батарею уже принято считать ‘разряженной’.

Как лучше выбрать батарею для поделки ?

Как вы уже поняли, в свободном доступе, можно найти много типов батарей с разным химическим составом, таким образом, не легко выбрать, какое питание является лучшим для именно вашего проекта. Если проект очень энергозависимый (большие системы звука и моторизованные самоделки ) следует выбирать свинцово-кислотную батарею. Если вы хотите построить переносную поделку , которая будет потреблять небольшой ток, то следует выбрать литиевую батарею. Для любого портативного проекта (легкий вес и умеренное питание) выбираем литиево-ионный аккумулятор. Вы можете выбрать более дешёвый аккумулятор на основе метало-никелевого гидрида (NIMH), хотя они более тяжёлые, но не уступают литиево-ионным в остальных характеристиках. Если вы хотели бы сделать энергоёмкий проект то литиево-ионный щелочной (LiPo) аккумулятор будет лучшим вариантом, потому что он имеет маленькие размеры, лёгок по сравнению с другими типами батарей, перезаряжается очень быстро и выдаёт ток высокого значения.

Хотите, чтобы Ваши аккумуляторы прослужили долгое время? Используйте высококачественное зарядное устройство, которое имеет датчики для поддержания надлежащего уровня заряда и подзарядки малым током. Дешёвое зарядное устройство убьёт ваши аккумуляторы.

Шаг 3: Резисторы

Резистор — очень простой и наиболее распространённый элемент на схемах. Он применяется для того, чтобы управлять или ограничивать ток в электрической цепи.

Резисторы — пассивные компоненты, которые только потребляют энергию (и не могут производить её). Резисторы, как правило, добавляются в цепь, где они дополняют активные компоненты, такие как ОУ, микроконтроллеры и другие интегральные схемы. Обычно они используются, чтобы ограничить ток, разделить напряжения и линии ввода/вывода.

Сопротивление резистора измеряется в Омах. Большие значения могут быть сопоставлены с префиксом кило-, мега-, или гига, чтобы сделать значения легко читаемыми. Часто можно увидеть резисторы с меткой кОм и МОм диапазоне (гораздо реже мОм резисторы). Например, 4,700Ω резистор эквивалентен 4.7kΩ резистору и 5,600,000Ω резистор можно записать в виде 5,600kΩ или (более обычно) 5.6MΩ.

Существуют тысячи различных типов резисторов и множество фирм, что их производят. Если брать грубую градацию то существуют два вида резисторов:

с чётко заданными характеристиками;
общего назначения, чьи характеристики могут «гулять» (производитель сам указывает возможное отклонение).

Пример общих характеристик:

Температурный коэффициент;
Коэффициент напряжения;
Частотный диапазон;
Мощность;
Физический размер.

По своим свойствам резисторы могут быть классифицированы как:

Линейный резистор — тип резистора, сопротивление которого остается постоянным с увеличением разности потенциалов (напряжения), что прикладываются к нему (сопротивление и ток, что проходит через резистор не изменяется от приложенного напряжения). Особенности вольт-амперной характеристики такого резистора — прямая линия.

Не линейный резистор – это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от значения прикладываемого напряжения или протекающего через него тока. Это тип имеет нелинейную вольт-амперную характеристику и не строго следует закону Ома.

Есть несколько типов нелинейных резисторов:

Резисторы ОТК (Отрицательный Температурный Коэффициент) — их сопротивление понижается с повышением температуры.
Резисторы ПЕК (Положительный Температурный Коэффициент) — их сопротивление увеличивается с повышением температуры.
Резисторы ЛЗР (Светло-зависимые резисторы) — их сопротивление изменяется с изменением интенсивности светового потока.
Резисторы VDR (Вольт зависимые резисторы) — их сопротивление критически понижается, когда значение напряжения превышает определенное значение.

Не линейные резисторы используются в различных проектах. ЛЗР используется в качестве датчика в различных робототехнических проектах.

Кроме этого, резисторы бывают с постоянным и переменным значением:

Резисторы постоянного значения — типы резисторов, значение которых уже установлено, при производстве и не может быть изменено во время использования.

Переменный резистор или потенциометр – тип резистора, значение которого может быть изменено во время использования. Этот тип обычно имеет вал, который поворачивается или перемещается вручную для изменения значения сопротивления в фиксированном диапазоне, например, от. 0 кОм до 100 кОм.

Магазин сопротивлений:

Этот тип резистора состоит из «упаковки», в которой содержится два или более резисторов. Он имеет несколько терминалов, благодаря которым может быть выбрано значение сопротивления.

По составу резисторы бывают:

Углеродные:

Сердечник таких резисторов отливается из углерода и связующего вещества, создающих требуемое сопротивление. Сердечник имеет чашеобразные контакты, удерживающие стержень резистора с каждой стороны. Весь сердечник заливается материалом (наподобие бакелита) в изолированном корпусе. Корпус имеет пористую структуру, поэтому углеродные композиционные резисторы чувствительны к относительной влажности окружающей среды.

Эти типы резисторов обычно производит шум в цепи за счёт электронов, проходящих через углеродные частицы, таким образом, эти резисторы, не используются в «важных» схемах, хотя они дешевле.

Осаждения углерода:

Резистор, который сделан путём нанесения тонкого слоя углерода вокруг керамического стержня — называется углеродо-осаждённым резистором. Он изготавливается путем нагревания керамических стержней внутри колбы метана и осаждением углерода вокруг них. Значение резистора определяется количеством углерода, осажденного вокруг керамического стержня.

Пленочный резистор:

Резистор выполнен путем осаждения распыляемого металла в вакууме на керамическую основу прута. Эти типы резисторов очень надежны, имеют высокую устойчивость, а также имеют высокий температурный коэффициент. Хотя они дороже по сравнению с другими, но используются в основных системах.

Проволочный резистор:

Проволочный резистор изготовлен путем намотки металлической проволоки вокруг керамического сердечника. Металлический провод представляет собой сплав различных металлов подобранных согласно заявленным особенностям и сопротивлениям требуемого резистора. Эти тип резистора имеет высокую стабильность, а также выдерживает большие мощности, но, как правило, они более громоздкие по сравнению с другими типами резисторов.

Метало-керамические:

Эти резисторы изготовлены путем обжига некоторых металлов, смешанные с керамикой на керамической подложке. Доля смеси в смешанном метало-керамическом резисторе определяет значение сопротивления. Этот тип очень стабилен, а также имеет точно вымеренное сопротивление. Их в основном используют для поверхностного монтажа на печатных платах.

Прецизионные резисторы:

Резисторы, значение сопротивлений которых лежит в пределах допуска, поэтому они очень точны (номинальная величина находится в узком диапазоне).

Все резисторы имеют допуск, который даётся в процентах. Допуск говорит нам, насколько близко к номинальному значению сопротивления может изменяться. Например, 500Ω резистор, который имеет значение допуска 10%, может иметь сопротивление между 550Ω или 450Ω. Если же резистор имеет допуск 1%, сопротивление будет меняться только на 1%. Таким образом, 500Ω резистор может варьироваться от 495Ω 505Ω.

Прецизионный резистор — резистор, у которого уровень допуска всего 0.005%.

Плавкий резистор:

Проволочный резистор, разработан таким образом, чтобы легко перегореть, когда номинальная мощность превысет граничный порог. Таким образом плавкий резистор имеет две функции. Когда питание не превышено, он служит ограничителем тока. Когда номинальная мощность превышена, оа функционирует как предохранитель, после перегорания цепь становится разорванной, что защищает компоненты от короткого замыкания.

Терморезисторы:

Теплочувствительный резистор, значение сопротивления которого изменяется с изменением рабочей температуры.

Терморезисторы показывают или положительный температурный коэффициент (PTC) или отрицательный температурный коэффициент (NTC).

Насколько изменяется сопротивление с изменениями рабочей температуры зависит от размера и конструкции терморезистора. Всегда лучше проверить справочные данные, чтобы узнать все спецификации терморезисторов.

Фоторезисторы:

Резисторы, сопротивление которых меняется в зависимости от светового потока, что падает на его поверхность. В тёмной среде сопротивление фоторезистора очень высоко, несколько M Ω. Когда интенсивный свет попадает на поверхность, сопротивление фоторезистора существенно падает.

Таким образом фоторезисторы — переменные резисторы, сопротивление которых зависит от количества света, что падает на его поверхность.

Выводные и безвыводные типы резисторов:

Выводные резисторы: Этот тип резисторов использовался в самых первых электронных схемах. Компоненты подключались к выводным клеммам. С течением времени, начали использоваться печатные платы, в монтажные отверстия которых впаивались выводы радиоэлементов.

Резисторы поверхностного монтажа:

Этот тип резистора всё более часто стали использовать начиная с введения технологии поверхностного монтажа. Обычно этот тип резистора создается путём использования тонкоплёночной технологии.

Шаг 4: Стандартные или общие значения резисторов

Система обозначений имеет свои истоки, которые выходят с начала прошлого века, когда большинство резисторов были углеродными с относительно плохими производственными допусками. Объяснение довольно простое – используя 10% допуск можно уменьшить число выпускаемых резисторов. Было бы малоэффективно производить резисторы с сопротивлением 105 Ом, так как 105 находится в пределах 10%-го диапазона допуска резистора на 100 Ом. Следующая рыночная категория составляет 120 Ом, потому что у резистора на 100 Ом с 10%-й терпимостью, будет диапазон между 90 и 110 Ом. У резистора на 120 Ом диапазон лежит между 110 и 130 Ом. По этой логики предпочтительно выпускать резисторы с 10% допуском 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330 и так далее (соответственно округлены). Это — ряд E12, показанный ниже.

Терпимость 20% E6,

Терпимость 10% E12,

Терпимость 5% E24 (и обычно 2%-я терпимость),

Терпимость 2% E48,

E96 1% терпимости,

E192 0,5, 0,25, 0,1% и выше допуски.

Стандартные значения резисторов:

Е6 серии: (20% допуска) 10, 15, 22, 33, 47, 68

E12 серии: (10% допуска) 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82

E24 серии: (5% допуска) 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91

E48 серии: (2% допуска) 100, 105, 110, 115, 121, 127, 133, 140, 147, 154, 162, 169, 178, 187, 196, 205, 215, 226, 237, 249, 261, 274, 287, 301, 316, 332, 348, 365, 383, 402, 422, 442, 464, 487, 511, 536, 562, 590, 619, 649, 681, 715, 750, 787, 825, 866, 909, 953

E96 серии: (1% допуска) 100, 102, 105, 107, 110, 113, 115, 118, 121, 124, 127, 130, 133, 137, 140, 143, 147, 150, 154, 158, 162, 165, 169, 174, 178, 182, 187, 191, 196, 200, 205, 210, 215, 221, 226, 232, 237, 243, 249, 255, 261, 267, 274, 280, 287, 294, 301, 309, 316, 324, 332, 340, 348, 357, 365, 374, 383, 392, 402, 412, 422, 432, 442, 453, 464, 475, 487, 491, 511, 523, 536, 549, 562, 576, 590, 604, 619, 634, 649, 665, 681, 698, 715, 732, 750, 768, 787, 806, 825, 845, 866, 887, 909, 931, 959, 976

E192 серии: (0,5, 0,25, 0,1 и 0,05% допуска) 100, 101, 102, 104, 105, 106, 107, 109, 110, 111, 113, 114, 115, 117, 118, 120, 121, 123, 124, 126, 127, 129, 130, 132, 133, 135, 137, 138, 140, 142, 143, 145, 147, 149, 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 165, 167, 169, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 187, 189, 191, 193, 196, 198, 200, 203, 205, 208, 210, 213, 215, 218, 221, 223, 226, 229, 232, 234, 237, 240, 243, 246, 249, 252, 255, 258, 261, 264, 267, 271, 274, 277, 280, 284, 287, 291, 294, 298, 301, 305, 309, 312, 316, 320, 324, 328, 332, 336, 340, 344, 348, 352, 357, 361, 365, 370, 374, 379, 383, 388, 392, 397, 402, 407, 412, 417, 422, 427, 432, 437, 442, 448, 453, 459, 464, 470, 475, 481, 487, 493, 499, 505, 511, 517, 523, 530, 536, 542, 549, 556, 562, 569, 576, 583, 590, 597, 604, 612, 619, 626, 634, 642, 649, 657, 665, 673, 681, 690, 698, 706, 715, 723, 732, 741, 750, 759, 768, 777, 787, 796, 806, 816, 825, 835, 845, 856, 866, 876, 887, 898, 909, 920, 931, 942, 953, 965, 976, 988

При разработке оборудования лучше всего придерживаться самого низкого раздела, т.е. лучше использовать E6, а не E12. Таким образом, чтобы число различных групп в любом оборудовании было минимизировано.

Продолжение следует

Электричество применяется во многих областях, оно окружает нас практически повсюду. Электроэнергия позволяет получать безопасное освещение дома и на работе, кипятить воду, готовить пищу, работать на компьютере и станках. Вместе с тем, обращаться с электричеством необходимо уметь, иначе можно не только получить травмы, но и нанести вред имуществу. Как правильно прокладывать проводку, организовывать снабжение объектов электричеством, изучает такая наука, как электротехника.

Понятие электричества

Все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. У атома есть ядро и движущиеся вокруг него положительно и отрицательно заряженные частицы (протоны и электроны). При нахождении двух материалов рядом друг с другом между ними возникает разность потенциалов (у атомов одного вещества электронов всегда меньше, чем у другого), что приводит к появлению электрического заряда – электроны начинают перемещаться от одного материала к другому. Так возникает электричество. Другими словами, электричество – это энергия, возникающая в результате перемещения отрицательно заряженных частиц из одного вещества в другое.

Скорость перемещения может быть разной. Чтобы движение было в нужном направлении и с нужной скоростью, используются проводники. Если движение электронов по проводнику осуществляется только в одном направлении, такой ток называется постоянным. Если же направление перемещения с определенной частотой меняется, то ток будет переменным. Самым известным и простым источником постоянного тока является батарейка или автомобильный аккумулятор. Переменный ток активно используется в бытовом хозяйстве и в промышленности. На нем работают практически все устройства и оборудование.

Что изучает электротехника

Данная наука знает практически все об электричестве. Изучить ее необходимо всем, кто хочет получить диплом или квалификацию электрика. В большинстве учебных заведений курс, на котором изучают все, что связано с электроэнергией, называется «Теоретические основы электротехники» или, сокращенно ТОЭ.

Данная наука получила развитие в XIX веке, когда был изобретен источник постоянного тока, и появилась возможность строить электрические цепи. Дальнейшее развитие электротехника получила в процессе новых открытий в области физики электромагнитных излучений. Чтобы без проблем осваивать науку в настоящее время, необходимо иметь знания не только в области физики, но также химии и математики.

В первую очередь, на курсе ТОЭ изучаются основы электричества, дается определение тока, исследуются его свойства, характеристики и направления применения. Далее изучаются электромагнитные поля и возможности их практического использования. Завершается курс, как правило, изучением устройств, в которых используется электрическая энергия.

Чтобы разобраться с электричеством, не обязательно поступать в высшее или среднее учебное заведение, достаточно воспользоваться самоучителем или пройти видеоуроки «для чайников». Полученных знаний вполне хватит, чтобы разобраться с проводкой, заменить лампочку или повесить люстру дома. Но, если планируется профессионально работать с электричеством (например, в должности электромонтера или энергетика), то соответствующее образование будет обязательным. Оно позволяет получить специальный допуск на работу с приборами и устройствами, работающими от источника тока.

Основные понятия электротехники

Изучая электричество для начинающих, главное – разобраться с тремя основными терминами:

Сила тока;
Напряжение;
Сопротивление.

Под силой тока понимается количество электрического заряда, протекающего через проводник с определенным сечением за единицу времени. Другими словами, количество электронов, которые переместились из одного конца проводника в другой за некоторое время. Сила тока является самой опасной для жизни и здоровья человека. Если взяться за оголенный провод (а человек – это тоже проводник), то электроны пройдут через него. Чем больше их пройдет, тем больше будут повреждения, поскольку в процессе своего движения они выделяют тепло и запускают различные химические реакции.

Однако чтобы ток шел по проводникам, между одним и другим концом проводника должно быть напряжение или разность потенциалов. Причем она должна быть постоянной, чтобы движение электронов не прекращалось. Для этого электрическую цепь обязательно замыкают, а на одном конце цепи обязательно ставят источник тока, который обеспечивает в цепи постоянное движение электронов.

Сопротивление – это физическая характеристика проводника, его способность к проведению электронов. Чем ниже сопротивление проводника, тем большее количество электронов по нему пройдет за единицу времени, тем выше сила тока. Высокое сопротивление, наоборот, уменьшает силу тока, но влечет за собой нагревание проводника (если напряжение достаточно высоко), что может привести к возгоранию.

Подбор оптимальных соотношений между напряжением, сопротивлением и силой тока в электрической цепи является одной из основных задач электротехники.

Электротехника и электромеханика

Электромеханика является разделом электротехники. Она изучает принципы функционирования устройств и оборудования, которые работают от источника электрического тока. Изучив основы электромеханики, можно научиться ремонтировать различное оборудование или даже проектировать его.

В рамках уроков по электромеханике, как правило, изучаются правила преобразования электрической энергии в механическую (каким образом функционирует электродвигатель, принципы работы любого станка и так далее). Также исследуются и обратные процессы, в частности, принципы действия трансформаторов и генераторов тока.

Таким образом, без понимания того, как составляются электрические цепи, принципов их функционирования и других вопросов, которые изучает электротехника, осваивать электромеханику невозможно. С другой стороны, электромеханика является более сложной дисциплиной и носит прикладной характер, поскольку результаты ее изучения применяются непосредственно при конструировании и ремонте машин, оборудования и различных электрических устройств.

Безопасность и практика

Осваивая курс электротехники для начинающих, необходимо уделить особое внимание вопросам безопасности, поскольку несоблюдение определенных правил может привести к трагическим последствиям.

Первое правило, которому необходимо следовать, – обязательно знакомиться с инструкцией. У всех электроприборов в руководстве по эксплуатации всегда имеется раздел, который посвящен вопросам безопасности.

Второе правило заключается в контроле состояния изоляции проводников. Все провода обязательно должны покрываться специальными материалами, не проводящими электричество (диэлектриками). Если изоляционный слой нарушен, в первую очередь, следует его восстановить, иначе возможно нанесение вреда здоровью. Кроме того, работу в целях безопасности с проводами и электрооборудованием следует производить только в специальной одежде, которая не проводит электричество (резиновые перчатки и диэлектрические боты).

Третье правило состоит в использовании для диагностики параметров электросети только специальных приборов. Ни в коем случае не стоит делать этого голыми руками или пробовать «на язык».

Обратите внимание! Пренебрежение данными элементарными правилами является основной причиной травм и несчастных случаев в работе электриков и электромонтеров.

Чтобы получить начальное представление об электричестве и принципах работы устройств с его применением, рекомендуется пройти специальный курс или изучить пособие «Электротехника для начинающих». Подобные материалы разработаны специально для тех, кто пытается с нуля освоить данную науку и получить необходимые навыки для работы с электрооборудованием в быту.

В пособии и видеоуроках подробно рассказывается, как устроена электрическая цепь, что такое фаза, а что такое ноль, чем отличается сопротивление от напряжения и силы тока и так далее. Отдельное внимание уделяется технике безопасности, чтобы избежать травм при работе с электроприборами.

Конечно, изучение курсов или чтение пособий не позволит стать профессиональным электриком или электромонтером, но решить большинство бытовых вопросов по итогам освоения материала будет вполне по силам. Для профессиональной работы требуется уже получение специального допуска и наличие профильного образования. Без этого выполнять должностные обязанности запрещается различными инструкциями. Если же предприятие допустит человека без необходимого образования к работе с электрооборудованием, и он получит травму, руководитель понесет серьезное наказание, вплоть до уголовного.

Видео

Инженер-электрик. Работал в электрических сетях. Специализировался на устройствах релейной защиты и электроавтоматики. Автор двух книг из серии "Библиотека электромонтёра". Публиковался в электротехнических журналах. В настоящее время проживет в Израиле. 71 год. Пенсионер.

Ha-esh`har str., 8\6, Haifa, 35844, Israel

К читателю

Вероятно, нет необходимости объяснять тебе значение электричества для обеспечения нормальной жизнедеятельности каждого человека. Не будет преувеличением сказать, что сегодня оно является такой же её составной частью, как вода, тепло, пища. И если в доме погас свет, ты, обжигая пальцы о зажжённую спичку, немедленно звонишь к нам.

Долгий и трудный путь проходит электричество прежде, чем попасть в твой дом. Выработанное из топлива на электростанции, оно путешествует через трансформаторные и коммутационные подстанции, через тысячи километров линий, укреплённых на десятках тысяч опор.

Электричество сегодня – это совершенная технология, надёжное и качественное электроснабжение, забота о потребителе и его обслуживание.

Однако, это ещё не всё. Конечное звено в электрической цепочке – это электрооборудование твоего дома. А оно, как и всякое другое, требует некоторых знаний для его правильной эксплуатации. Поэтому мы призываем тебя к сотрудничеству с нами и с этой целью даём некоторые рекомендации и предостережения. Предостережения выделены красным цветом.

Речь пойдёт о следующем:

1. Правовые аспекты. Абонент должен быть ознакомлен со своими правами, обязанностями и ответственностью по отношению к энергоснабжающей организации. То же - по отношению энергоснабжающей организации к нему.

2. Знакомство с квартирной электропроводкой, коммутационной аппаратурой и установочными изделиями.

4. Электричество требует не только определённых знаний, но и строгого соблюдения определённых правил от пользователя. Оно представляет опасность, как для тех, кто не умеет им пользоваться, так и для недисциплинированных «умельцев». Поэтому мы ознакомим тебя с основами электробезопасности.

Мы призываем тебя с пониманием отнестись к нашим рекомендациям и предостережениям. Мы также надеемся, что ты не будешь наносить ущерб упомянутым выше сетевым сооружениям и электрооборудованию.

Желаем тебе всех благ, в том числе и тех, которые даёт электроэнергия.