Электричество в России. Откуда берется ток в розетке

 

Следующие части:

Электричество в России. Мощность

Электричество в России. Начало

Электричество в России. Ввод в дом

Электричество в России. Изгнание бесов или свой среди чужих

Откуда берется ток.

Написал для родственников и знакомых - хотел понятно растележить за электричество. Получилось так себе. Сам-то я гуманитарий. 

Вот учатся в лучших в мире школах самой когда-то читающей страны люди, а толку никакого. Потому как три четверти предметов преподают какой-то бесполезный мусор. В результате набираются обрывочных предрассудков. Вот к примеру кого ни спросишь про то почему летают самолеты, все вспоминают дурацкую картинку из школы. Дескать кривизна крыла, то да се. Обтекание, Бернулли...

И оно вроде умно выглядит, да только самолет легко и неограниченно может лететь вверх ногами, хотя исходя из школьных знаний подъемная сила в таком случае должна давить к земле.. Один американец пролетел еще в 30х годах наспор  сотни миль - видимо достала тогдашняя школота. Дело в том что крыло легко может быть совершенно симметричным и плоским, а не кривым и это никак не помешает летать. Самолет летает вовсе не потому что крыло кривое, а потому же почему трудно резко надавить на поршень шприца или ручку велосипедного насоса. Самолет держит в воздухе сопротивление сжатого воздуха. Чем больше скорость, тем больше сопротивление. А ключевую роль в подъемной силе играет угол атаки - грубо и неправильно говоря угол между набегающим потоком воздуха и плоскостью крыла. Ну а кривизна крыла да - чутка помогает бензин экономить, но вовсе не является самой причиной возможности полета. Не трудитесь опровергать - там вверху написано - гуманитарий, нечего взять.

А тут ток - никак кроме магией не объяснить после школьной программы. Если за варкой дури в пустыне не заметил как разрядился аккумулятор - можно конечно воспользоваться кислотой, цинком и сделать кислотный аккумулятор, но на этом далеко не уедешь. Но не вся магия ушла из этого мира. Доказательством этого является забавный факт существования магнитов. Нет, у ученых есть всякие отговорки про поля и прочую ерунду, однако факт в том, что магнитом управляет волшебство. У магнита есть два полюса. Волшебное невидимое магнитное поле выходит из северного и входит в южный в виде своеобразных крыльев бабочки. Сила этого поля не одинаковая. В одних местах сильнее, в других слабее, а с торцов вообще нет.

Так вот если начать вращать магнит рядом с медным проводником, в проводнике побежит электрический ток. Из того конца, который рядом с одним полюсом магнита в другой конец, который рядом с другим полюсом. Но только во время движения полюсов к или от проводника.

Можно провод закрепить и начать вращать магнитик. Пока магнит делает полный оборот, ток бежит сначала в одну сторону, потом в другую. Создается разность потенциалов на концах проводника. В одном конце избыток энергии в другом недостаток. Вот и течет значит ток. Чтобы ток был сильнее, мы наматываем как можно больше проводника в виде катушки.  Катушка компактная, провода можно много намотать и весь в невидимое магнитное поле помещается. Чем больше витков провода, тем больше потенциала накапливается, больше создается разность потенциалов. Да еще чем быстрее двигать магнит к или от проводника, тем тоже больше потенциала. Вот эта разность потенциалов и называется напряжением, которое создается в проводнике.

Это давление, с которым ток пытается пройти по проводнику. То же самое, что напор воды в трубе. Зависит от количества витков, намотанных нами на катушечках и от скорости вращения магнитика. А сам ток — это вода в трубе. Труба может быть очень узкой, но с очень большим напором. А может быть очень толстой, но с очень маленьким напором. Аналог разности потенциалов – высота на которой размещен бак с водой. Чем выше – тем больше напор. Количество воды зависит от препятствий в трубе – например куча камней и песка. Это сопротивление. Оно одинаково работает и в трубе с водой и в проводе с током. Напор (напряжение) воды большой, но труба забита (высокое сопротивление) и вода течет еле-еле (сила тока маленькая). Простым людям вроде нас это и так понятно, но для электриков понадобился целый ученый Ом, чтобы сформулировать закон. I (сила тока)=U(напряжение)/R(сопротивление). Сопротивление тока зависит от материала. Некоторые проводники вроде меди и золота хорошо проводят ток, другие, вроде китайской подделки медного провода или ржавой железки - плохо. У них высокое сопротивление. А есть проводники, которые выбрали именно за высокое сопротивление - например нихромовая проловока в обогревателях или утюге каком-нибудь. Из-за высокого сопротивления току материал разогревается в попытках помешать напряжению пропихнуть таки хоть что-нибудь.

Сила тока меряется в Амперах обозначается буквой (I, а единицы измерения А, например I=10А), Напряжение в Вольтах (Вольт - это дедушка злого гения Мегавольта) и обозначается буквой (U, а единицы измерения V, например U=230V), сопротивление в Омах и обозначается буквой (R - Resistant, а единицы измерения Ом-ohm или заглавная греческая буква Омега, сами ее ищите в редакторе. например R=50Ом)

То, что электричество ведет себя как вода люди сообразили сразу. В 18 веке был такой печально известный деятель Бенджамин-100$-Франклин. Он изобрел громоотвод, 100$ и теорию, по которой электричество - это невидимая жидкость -  "флюид". С этой теорией бились лет 50, но толку не было. Монетизировать не удалось в отличие от громоотводов, хотя по слухам, те кто пытался их применить добивались в основном, что их дома сгорали как спичка. Известны пара судебных процессов за попытку установить "новшество" на свой дом. Тогда этим занимались те же люди, что сейчас закупают новый айфон и теслу. Один долго судился, триумфально выиграл процесс, поставил новомодную фичу и сгорел с домом от первой же грозы. На самом деле нужно признаться себе, что ничего внутри проводника никуда не течет на самом деле - это всего лишь абстракция для понимания и чтобы не слететь с катушек. Ну и подготовка к квантовой физике, где здоровым людям вообще делать нечего. При попытке поговорить куда и как текут электроны - проходящий мимо физик покивает и погладит вас по голове с грустной улыбкой. Как-бы и электроны не шарики в проводе, а волна, но это не точно :)  

Так что нужно просто согласиться - это магия и заниматься тем, что можно принять в ощущение и измерить.

Главное в токе какое мы смогли создать напряжение. Как мы помним, оно зависит от того, как много провода мы запихаем в магнитное поле и с какой скоростью будем надвигать-убирать от этого провода магнит.

И вот магнит продолжает крутиться. При вращении магнита, полюса приближаются к катушечкам и ток становится все сильнее, максимум наступает, когда рядом с катушкой оказывается максимально сильное магнитное поле, потом полюса магнита начинают опять удаляться, ток ослабевает до нуля. Мы говорили, что так как север магнита оказывается то у верхней катушечки, то у нижней, так течет ток пол-оборота в одну, пол-оборота в другую сторону, то сильнее, то слабее, то вообще не течет.  Получается такой очень переменный ток. 

На картинке видно, что при разных положениях магнита в проводнике разное напряжение. (ЭДС-электро движущая сила она хочет начать двигать ток. Как только замкнем цепь и включим лампочку - превратится в напряжение)

Если к этому цирку присоединить лампочку будет не очень хорошо. Она то начнет разгораться, то затухать. Думал, думал Ильич над своей лампочкой (странно, лампочку Павел Николаевич Яблочков изобрел, а назвали именем Ильича какого-то) и придумал крутить магнит быстрее. Да так быстро, чтобы глаз не замечал, как она тухнет и разгорается, а то деньги считать не удобно – примерно 50 раз в секунду проворачивать придумал.  Друг Ильича Герц был известен тем, что любил делать что-нибудь один раз в секунду – такая фишка.  Поэтому 50 поворотов магнита в секунду назвали частотой 50 Герц. В Америке денег больше было, приходилось быстрее считать, поэтому им понадобилась частота 60 Герц. Возможно именно про этого Герца Розенбаум пел, что дескать он хорошо исполнял отходняки в синагоге. Ну видимо на научной ниве не задалось.

Как видимо, если нарисовать как ток создаваемый вращающимся магнитом меняется во времени получаются красивые волнушки – синусоида. Синусы все эти Евклид придумал 2400 лет назад. Интересно был ли у него кусок медной проволоки и магнитик? Чета кажется, что был.

Как научились магнитик крутить, разное напряжение создавали и такое, и сякое, но как-то опытным путем пришли к напряжению в пике около 100-200 Вольт . У Американцев 110 получилось, в Советской России 127 до 60х годов было. Но тут такое дело – чем больше напряжение, тем больше тока можно пропихнуть по проводу того же сечения. У американцев как мы знаем денег куры не клюют, а в России традиционно лапу сосали и решили повысить напряжение до 220 – экономия. По тем же причинам для передачи электричества на расстояния используется гораздо большее напряжение. По деревням 1000В, между городками 10 тысяч Вольт, 35 тысяч, на федеральном уровне гораздо жаднее как водится, поэтому там жаба заставляет и 110 килоВольт и больше использовать - очень там деньги любят. А уж потом в трансформаторных подстанциях нам напряжение понижают до привычного. Есть много проектов использовать высокое напряжение в быту - тогда можно бы сильно сэкономить на толщине проводников. Но придется всю технику менять и инфраструктуру. Такой проект могут только коммунисты или инопранетяне запустить.

Наше устройство с крутящимся магнитом и катушечками называется Генератор Тока. Как мы поняли, напряжение генератора зависит от количества витков провода, от силы магнита и от скорости вращения магнита. Даже параметр придумали Вольт на виток, дескать сколько Вольт снимаем с одного витка провода на катушке. А от чего зависит собственно Ток в электрической цепи частью которой становится генератор, как только мы к нему чего-то включим? Ток зависит исключительно от ПОТРЕБИТЕЛЯ тока. Если мы подключим к генератору тусклую лампочку с большим сопротивлением, тока через нее будет протекать мало. Вот столько тока и будет в цепи генератора. А если мы включим гигантский прожектор, тока через него буде мнооого протекать, сопротивление у него относительно маленькое, в цепи генератора будет очень большой ток. Чтобы его выдержать толщина проводов на обмотках должна быть большой, иначе генератор превратится в обогреватель и сгорит. Хорошо, когда генератор крутится с одной скоростью, но что делать, если скорость непостоянная, как обеспечить нужное напряжение? Тогда нам остается управлять силой магнита. Для этого мы вместо природного используем Электромагнит. (Это сердечник из волшебного сплава обмотанный проволокой. Как только по проволоке проходит ток, сердечник превращается в магнит. Чем больше ток, тем магнит сильнее). Выглядит вот так:

При неравномерном вращении генератора, специальное устройство, регулятор напряжения, меняет ток в обмотке сердечника электромагнита, от этого меняется сила магнита и поддерживается одинаковое, заранее заданное напряжение. Но максимальная сила магнита зависит от толщины сердечника, значит генератор все равно расчитан на какой-то предельный ток. При его превышении регулятор уже не сможет повысить напряжение как требуется и оно начнет проседать при продолжающемся увеличении тока потребителей. Также, как мы помним, нам требуется делать толщину проводов на катушках все больше чтобы выдержать больший ток, но чем толще провода, тем меньше витков помещается на катушку того же размера, тем менее плотно они лежат, а ведь мы помним, что количество витков очень важно для величины напряжения. В итоге, максимальная нагрузка на генератор заложена в его конструкции как компромисс между несколькими параметрами. Хочешь мощнее, делай новый более крупный генератор.

Работает значит наш генератор тока, электромагнит крутится, бабло мутится, продается электричество и в казино, и в киношку. Бизнес-схема работает. Задумались тут крутые пацаны – а можно ли еще бабла поднять из этого устройства без крупных дополнительных вложений? А что если корову доить сильнее – даст ли она больше молока? Жадный до наживы американец Тесла не долго думая приляпал еще две катушки на ту же конструкцию. Хотел еще пять приляпать, да вовремя спохватился – чета проводов слишком много получается, а ну как не прокатит с бизнесом, а кабель в пункты цветмета тогда еще не придумали подрезать.

Вот так у Теслы получилось - Гений чо, правда передачей электричества по воздуху тут и не пахнет  :

И вот так оно работает :

Раньше магнит круг почти зазря делал, а теперь только отъедет от одной катушечки, а тут другая. И в ней столько же потенциала вырабатывается, только дальше проедет, а тут третья и опять столько же. На пустом считай месте подогрев в три конца выходит. И в каждом отдельном проводе (стали их называть фазами) то же самое «фазное напряжение»  220 вольт (у американцев 110). На рисунке видно, что с тремя фазами такая же синусоида что и с одной, только теперь их три. И они отстоят одна от другой на 120 градусов - ведь магнитик проезжает по кругу 120 градусов чтобы возбудить следующую катушечку.

Но  выяснилась еще одна прибыль. Напряжение между разными фазами не 220 а все 380. Как так? А так, что когда у одной фазы северный полюс нагнал +200 Вольт – у другой в тот же момент южный создает -180 (там же магнит противоположным концом торчит.). Выходит +200 – (-180) = + 380 В

Итак, получается что есть три независимые линии (фазы) в каждой вращающемся магнитиком возбуждается ток но с отступом по времени. В первой фазе ток в максимуме, во второй в это же время он только растет, а в третьей уже убывает. То есть если в одной люстре три лампы на разные фазы включить, то моргать люстра вообще не будет, так как когда в одной фазе ток на нуле и лампа тухнет, в двух других он есть. Это для всякой промышленности полезно - электродвигатели всякие, станки и печки. Но вышла очень затратная схема – целых 6 проводов выходят от генератора к клиентам - расходы одни, разорение.

Ну  у американцев как мы помним бабла как сейчас у москвичей. А в России и тогда приходилось экономить и русский ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский придумал соединить обмотки всех трех катушек и оттуда отвести отдельный провод. Получилось всего четыре. Правда в России его не сразу поняли (русский какой-то - что он понимать может, чай не Адисон какой), а немцы ухватились и он в Европе все электричество организовал. Прям во всей. 

Экономия получилась адская. В четвертом (НУЛЕВОМ) проводе никакого электричества не было – оно в нем взаимоуничтожалось сдвинутыми по фазе токами во всех трех фазах. Поэтому этот проводник можно было делать тоньше чем фазные. А если тока в четвертом проводнике нет, может и он не нужен? И сделал вариант с тремя проводами.

Он пригодился для передачи электричества в промышленных масштабах, до сих пор ничего лучше не придумали. Это и другие его великие изобретения полностью определили вид современных электросетей. 

Подключение к трехфазному генератору потребителей выглядит так:

Тут и однофазные лампочки включены и трехфазный элекродвигатель.

Однофазные лампочки включены одним проводом к фазе, другим к нейтрали(нулю). Они используют напряжение 220 В. Нейтральный провод изображен пунктирной линией. Трехфазный электромотор подключен просто ко всем трем фазам, Он использует напряжение 380.

Далее чуть сложнее - схема подключения многоквартирного дома, где разные подъезды включены в разные фазы генератора

Вот понарисуют всякого и сразу ничего не понятно. Но все просто. Слева изображен генератор. Три катушечки. Одним концом все три катушки соединены в точку - оттуда выходит синий нулевой проводник. Фазы - три красные линии. В итоге все три фазы и нулевой провод на стороне потребителей сходятся в одну точку.  Но сначала они снабжают током подъезды дома (белые квадраты обозначенные буквами Ra справа). Между фазами 380 вольт, между каждой фазой и нулем 220 вольт. Мы уже знаем почему. И вот проверочный вопрос: что будет если тот синий провод порвется по пути к дому?

А получится, что квартира по синему проводу внезапно соединена уже не с нулем генератора, а с остальными двумя фазами. А мы же знаем, что между фазами 380. Вот они в квартиру и зайдут. А все почему? Ну мы же помним, что нулевой провод для экономии делается тоньше чем фазные - по нему ведь в мирной жизни ток не идет. Если что - он первым и рвется. Вот мы узнали и объяснили главную военную тайну электриков.

Но мы забыли про безопасность как всегда. Она тоже предусмотрена и Нулевой провод очень важная часть безопасности. Нулевой провод ЗАЗЕМЛЕН (к нему присоединена большая железяка закопанная глубоко в землю) на стороне генератора и делается повторное заземление на каждом столбе по пути к потребители, а когда провод пришел в дом еще раз напоследок. Чтобы что? чтобы в любом месте можно было ток от фазного провода направить в землю. Земля фактически выполняет роль дополнительного проводника. Ток от фазы попав в заземленный провод условно "стремится" обратно к генератору. Это резко помогает улучшить безопасность. Мы присоединяем все железные проводящие конструкции и предметы, ванны, корпуса стиралок и холодильников к заземлению и как только фазный провод коснулся корпуса, ток уходит в землю так же как пошел бы по нулевому проводнику к генератору. И тут мы улавливаем эту ситуацию с помощью Устройства Защитного Отключения. Да и вообще в таких условиях току легче уйти в землю, чем куда-то еще. Что и требуется. Заземление изображается в виде перевернутой елочки.

Есть в электричестве очень простая вещь, которая, как ни странно, трудно воспринимается. Вот работает наш генератор, генерирует напряжение в разноцветных проводочках, как на картинке. Фазные и нулевой провод мы вывели из генератора и закрепили в клеммах для удобства. На клеммы можно подключить провода от потребителей, но допустим, что пока ничего не подключено. Где у генератора фаза и ноль? На клеммах. Между ними напряжение. Если прикоснешься к фазе - шваркнет, а если к нолю - скорее всего нет. А если мы соединили клеммы патроном с лампочкой (например один провод к фазе, другой к нолю) где теперь фаза и ноль? Нигде да и пофиг. Теперь есть замкнутая ЦЕПЬ (circute), которая включает  в себя и генератор и лампочку и проводки. Во всей цепи теперь течет одинаковый ток зависящий от сопротивления лампочки - куда бы не прикоснулся, с какой угодно стороны, в любом месте - везде шваркнет, ведь сам станешь частью этой электрической цепи, вроде тостера или обогревателя. Все наши приборы (хоть чайник, хоть лампочка) оснащены выключателями, чтобы размыкать и замыкать ЦЕПЬ. Обычно для безопасности размыкается провод, который идет от лампочки к фазе (где есть потенциал). Если мы разорвали цепь в этом месте, то от второго провода, идущему от лампочки к нулю и от самой лампочки шваркнуть не должно - там потенциала нет.

Картинка поможет осознать серьезность момента (если выключатель разомкнут - от нулевых проводков синего цвета током не блымзнет,  от разорванных фазных проводков тоже после выключателя не шваркнет, но если замкнуть выключатель - блымзнет и шваркнет в любом месте - это будет уже неразрывная электрическая цепь в которой течет ток):

Конечно стоит сохранять осторожность, потому что аварии на линии и невнимательность могут привести к тому, что и в нулевом проводе появится опасный потенциал.

 

А что в таком разе будет если просто соединить проводом фазу и ноль без лампочки?

Будет КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ . В этом случае провод сам становится потребителем вроде лампочки за неимением других кандидатур. Сопротивление у провода очень маленькое (чтобы проводил лучше). Значит сила тока по закону ОМа по нему потечет очень очень большая. Гораздо больше той, на которую провод рассчитан. В результате провод начнет греться и загорится, а если взять провод потолще и еще толще, уже генератор может быть не рассчитан на такой большой ток и тоже сломается. Поэтому придуманы всякие защитные устройства - автоматические выключатели, которые размыкают цепь, если ток превысил разрешенный предел.

На этом предисловие закончено. Стоит только запомнить, что не Эдисоны, да Теслы придумали современное электричество и освещение, а русские люди Яблочков, Доливо-Добровольский и Лосев. Что? Не слышали про Losev-Light ?  Свет Лосева – так по всему миру назывались светодиоды. Кроме России конечно. У нас все Эдисоны и Ильичи какие-то. 

Тут не развернута важная часть электричества - мощность электрических приборов. Почему одному прибору нужен толстый провод, а другому тонкого достаточно. Как не заплатить электрику дополнительных денег услышав от него слова "косинус фи" и " реактивная мощность".  Как подобрать защитные устройства в щиток и сечение проводов, чтобы не спалить квартиру и баню, но это совсем другая история...

Следующая статья:

Электричество в России. Начало