Современный мир невозможно представить без электричества! Оно повсюду: в бытовых приборах и телевизорах, компьютерах, светильниках и множестве других устройств. Но как часто мы задаёмся вопросом — откуда берется электричество в наших домах? И что же собой представляет это явление? Давайте разбираться вместе, чтобы быть готовыми увлекательно и познавательно рассказать об этом своим детям!
Кто придумал электричество?
Будет неправильно назвать изобретателем электричества одного учёного, ведь изучать это явление начали ещё задолго до нашей эры, наблюдая за природой и свойствами её объектов. Многие столетия великие умы трудились над этим вопросом и пытались понять суть электричества. Давайте рассмотрим достижения некоторых из них.
Первые упоминания связаны с античным математиком Фалесом, который обнаружил, что при трении меха о янтарь материалы притягиваются Это известное нам статическое электричество.
Появление в английском языке слова electricity соотносят с исследованиями Уильяма Гилберта, который в 1600 году объяснил опыты Фалеса, назвав притяжение электрической силой.
Вскоре французом Шарлем Франсуа Дюфе были открыты два типа электричества (современные положительный и отрицательный заряды). Учёный выявил, что объекты с одинаковыми зарядами притягиваются, а с противоположными – отталкиваются.
Большой вклад в исследования в XVIII веке внёс Бенджамин Франклин. Именно он опытным путем доказал, что молнии в небе — это электричество.
Также отметим труды итальянского физика Алессандро Вольта, который сформулировал закон ёмкости, названный позднее его именем.
Очень значимы для науки были труды физика Андре-Мари Ампера. В честь него назвали единицу измерения электрического тока — ампер.
В 1831 году Майкл Фарадей сконструировал электрическую динамомашину, а в 1879 году благодаря трудам своих предшественников американцем Томасом Эдисоном была изобретена практичная лампочка.
В 1882-м в Лондоне была построена первая общественная электростанция, которая вырабатывала электричество и поставляла его в дома. Это был постоянный ток.
Никола Тесла запатентовал особую систему, которая основывалась на новом типе двигателя переменного тока и позволяла удлинить расстояния для его передачи.
Многие учёные капля за каплей вносили свой вклад в изучение электричества. И эти исследования не прекращаются до сих пор, так как увеличение численности населения планеты и уровня жизни требуют поиска новых источников энергии.
Развитие и обучение детей от 2 до 11 лет в игровой форме
Начните заниматься прямо сейчас
Виды электричества в природе
Самый яркий пример электричества в природе – это молнии. Что происходит в этот момент? Частички воды в облаках сталкиваются друг с другом и приобретают либо положительный, либо отрицательный заряд. Затем более лёгкие положительные частицы оказываются наверху, а тяжёлые отрицательные перемещаются вниз.
А когда два схожих облака оказываются поблизости, но на разной высоте, положительные заряды одного начинают притягивать отрицательные частицы второго – так возникает молния. Этот же процесс происходит между облаками и поверхностью земли.
Ещё один вид природного электричества – это специальные органы у морских обитателей: рыб, скатов, угрей. Создавая заряды, животные обороняются от более сильных хищников и оглушают своих жертв. Величина такого разряда может быть как слабой, так и смертельно опасной даже для человека! Например, южноамериканский электрический угорь может генерировать разряд до 500 вольт.
Некоторые виды рыб создают вокруг себя электрическое поле. Благодаря ему они ищут добычу и ориентируются в воде, потому что любой объект, попадающий в это пространство, искажает его и обнаруживает себя.
Электричество проявляется в нервной системе живых организмов, в том числе и человека. Известно, что нервный импульс с невероятной скоростью передаёт сведения от одной клетки к другой, давая возможность моментально реагировать на внешние и внутренние раздражители, а также управлять своими движениями и мыслить. Если вы случайно коснётесь пальцем горячего чайника, то в ту же секунду уберёте руку назад. Представьте, за это время нервный импульс от раздражителя достиг мозга, получил команду и уже вернулся обратно!
Откуда берётся электрический ток?
Чтобы гаджет или любой электроприбор заработал, нужно вставить вилку в розетку или нажать выключатель. Что же происходит в этот момент? Электрическая цепь замыкается, а заряд получает импульс для движения. Им может стать, например, нагревательный элемент утюга или аккумулятор мобильного телефона.
В таком случае легко подумать, что источником энергии для приборов стала розетка, ведь именно в неё мы включили гаджет. Но на самом деле питанием для них стал ток. Как он попал в розетку и что из себя представляет?
Электрический ток – это движение заряженных частиц (электронов, ионов). Их ещё называют носителями заряда. Электричество, которое идёт по проводам к нам в дома, вырабатывается генераторами на специальных станциях. Там каждый из них соединён с постоянно вращающейся турбиной. Она постоянно крутится, используя разные источники энергии.
Какие это могут быть станции?
Гидроэлектростанции (ГЭС)Строятся на реках, а в качестве энергии используют мощность водного потока.
Тепловые электростанции (ТЭС)Работают на силе от сжигания топлива (чаще природного газа и угля).
Атомные электростанции (АЭС)Используют тепло от хода ядерной реакции.
Ветряные станцииЗдесь источником силы служит ветер. Он толкает огромные лопасти ветряков, а они заставляют работать генератор, который вырабатывает ток. Чтобы снабдить электричеством населённый пункт, нужна целая сеть таких механизмов.
Если говорить совсем просто, то электрический ток можно сравнить с рекой, которая разливается на множество ручейков, питая приборы и гаджеты. А воды этой реки берут начало на специальных станциях.
Как ток бежит по проводам (и другие вопросы)
Недавно мы предлагали читателям-гуманитариям задать вопросы обо всём техническом. В десятке самых популярных вопросов — как ток бежит по проводам и другие вопросы, связанные с электричеством. Постараемся ответить максимально просто.
Что такое электрический ток
«Ток» — от слова «течь», то есть что-то течёт. Можно представить, что это течёт вода.
«Электрический ток» — это когда текут некие частицы, которые передают электрический заряд.
«Электрический заряд» можно представить как кусочек энергии, который может заставить какие-то специальные механизмы что-то делать: крутиться, нагреваться, охлаждаться, сжиматься, светиться и т. д. Например, если у вас есть электрический моторчик, то он начинает вращаться, когда в него затекает электрический заряд.
Частицы, которые передают электрический заряд в токе, называются электронами. Можно представить, что это молекулы воды, хотя в реальности это сложнее.
Чуть сложнее: что же такое электрон?
Учёные называют электрон элементарной частицей — то есть самое простое, что бывает и что нельзя разобрать на части.
Считается, что электрон способен передавать минимально возможный в природе отрицательный заряд.
Нюанс с электронами в том, что его очень сложно поймать. Это не какая-то точка в пространстве, которую можно взять в маленький пинцет и пощупать. Это больше похоже на облако, внутри которого с какой-то вероятностью в каждой точке может быть электрон.
Есть теория, что электрон — это не просто частица, а проявление возмущения электромагнитного поля. Можно представить так: сквозь нас проходит невидимое поле, мы как бы в него погружены. Колебания этого поля создают в пространстве то, что мы воспринимаем как частичку-электрон. Это как если бы мы сидели на озере и видели волны, но не знали бы, что они берутся из озера.
Другая математическая концепция говорит, что электрон — это невидимая нам струна, которая вибрирует определённым образом. Это не доказано, но теория есть.
Как ток бежит по проводам
Для начала метафора:
- Представьте, что у вас есть труба.
- С одной стороны к трубе подключён большой бак с водой. Вода давит сама на себя.
- С другой стороны у трубы кран. Пока он закрыт, вода никуда не льётся, потому что ей некуда.
- Вы открываете кран, вода начинает литься: из места, где она на себя давит, в место, где на неё ничто не давит.
Как это переносится на электричество:
- У вас есть материал, в котором электроны могут перемещаться с некоторой свободой. Такие материалы называются проводниками — это всякие металлы, например медь.
- В одном месте проводника создаётся избыток электронов, которые друг на друга давят, им там тесно и напряжно.
- В другом месте проводника создаётся недостаток электронов.
- Электроны начинают течь из места напряга в место расслабления (условно говоря).
Чуть сложнее: как на самом деле бежит ток
На самом деле электроны в проводнике перемещаются очень мало и сами по себе не передают энергию из точки А в точку Б.
Правильнее сказать так: электроны двигаются в целом хаотично, а общим направлением их движения управляет электромагнитное поле. Именно поле определяет, сколько куда энергии передать, и именно поле отвечает за передачу этой энергии.
Но со стороны это выглядит неотличимо от того, как если бы сами электроны текли по проводам, как вода. Поэтому в учебниках обычно ограничиваются этим объяснением.
Как ток превращается в работу моторов, грелок и прочих полезных приборов
Люди изобрели устройства, которые превращают электрический ток в полезную работу. Например:
Электромотор работает так: там есть центральная вращающаяся ось и её окружение. По окружению бежит ток, который создаёт электромагнитное поле (считайте, что там появляется магнит). На центральной оси тоже есть что-то вроде магнита, который начинает вращать эту ось под действием внешнего магнита. Получается вращение.
Нагреватели работают так: электроны стукаются об атомы в нагревающем элементе и передают им энергию. Атомы начинают шевелиться, потому что по ним лупят электроны. Шевеление атомов — это и есть тепловая энергия.
Светодиоды работают так: там используются кусочки кремния, в которые подмешаны разные дополнительные материалы. Комбинации этих подмесов позволяют электронам передавать энергию от одного кусочка кремния к другому, попутно превращая эту энергию в фотоны, то есть в свет. В зависимости от того, что подмешано в кремний, можно получать светодиоды разных цветов.
Про компьютеры и как там работает электричество — расскажем отдельно.
Что такое постоянный и переменный ток?
Люди придумали, что электроны можно гонять по проводнику двумя способами: просто в одном направлении и туда-сюда.
Постоянный ток — это когда ток идёт в одном направлении от места, где у тебя избыток электронов (минус) в место, где у тебя недостаток электронов (плюс). Постоянный ток используется внутри всего, что питается от батарей; во всей электронике; в компьютерах и смартфонах.
Переменный ток — это когда ток течёт то в одном направлении, то в другом. Направление тока меняется 50–60 раз в секунду. Это изобретение позволило передавать ток на дальние расстояния и сделало его более удобным в эксплуатации. В розетке у вас переменный ток.
В вашей бытовой электронике стоит преобразователь переменного тока в постоянный. Он берёт переменный ток из розетки и переводит в нужный для прибора постоянный ток.
Что такое короткое замыкание?
Обычно ток гоняют по проводам не просто так, а чтобы передать энергию какому-то полезному устройству — например светодиоду. На этом устройстве теряется часть энергии и движение тока затруднено.
Если просто дать току бежать по проводам без нагрузки, он будет бежать очень бодро, попутно сталкиваясь с атомами своего проводника. Атомы от такого мощного потока начнут греться. А если тока много, то проводник нагреется очень быстро и может загореться. Это и есть короткое замыкание.
Короткое замыкание случается тогда, когда соединяются напрямую плюс и минус или два провода с переменным током. Это может произойти, если собака перегрызёт вам кабель питания и в нём соединятся два провода. Тогда за несколько секунд провода перегреются и могут загореться.
Чтобы предотвратить пожар из-за короткого замыкания, во всех квартирах сейчас устанавливают специальные устройства: они автоматически отключают ток, когда видят, что ток стал слишком большим.
Что нужно знать гуманитарию про ток?
Не ремонтируйте самостоятельно розетки и не вешайте люстры на голые провода. Вызовите электрика.
Не трогайте оголённые провода. Никакие и никогда.
Не разбирайте устройства, если на них наклеена наклейка «Опасность электрического шока». Там наверняка стоит какой-нибудь лютый конденсатор, который может ударить током будь здоров. Вообще, лучше не разбирать устройства, если вы точно не знаете, как их отремонтировать.
Если у вас маленькие дети, сначала поставьте заглушки на розетки, а потом научите детей технике безопасности с розеткой.
Детям про электричество
Представьте, вы с ребенком собрались просмотреть мультфильм или познавательную передачу, улеглись на диван и вдруг ваше чадо спрашивает: «А от чего работает телевизор/телефон/планшет?» Вроде бы ответ простой — от электричества, но не нужно быть Нострадамусом, чтобы предугадать следующий вопрос, который поступит от ребенка: «А откуда берется электричество?» И здесь у многих родителей наступает ступор, в особенности у тех, кто не заканчивал физмат, и их профессия никоим образом не связана с этим направлением.
Конечно, можно ответить так же просто, как и на предыдущий вопрос: «Электричество берется из розетки». Но чтобы ваш ребенок получил полный и раскрытый ответ, причем доступным и понятным языком, без заумных формул и определений, которыми написана большая часть учебников по физике, мы предлагаем задержаться на этой странице и прочитать, возможно, не новую, но полезную и познавательную информацию.
Что такое электричество?
Само слово «электричество», а точнее, «электрическая» сила появилось более 2000 лет назад в Древней Греции. Люди заметили, что если потереть янтарь о шерсть, то камень начинает притягивать к себе различные предметы небольшого размера. Янтарь на древнегреческом языке именовался «электроном», отсюда и произошло само название.
Но дальше простых экспериментов со статическим электричеством у Древних Греков изучение загадочного феномена не продвинулось. А раскрывать сущность всего явления стали намного позже. Ученые выяснили, что окружающие предметы состоят из элементарных частиц: протонов и электронов. Эти два вида частичек имеют электрический заряд: у электрона он отрицательный, а вот у протона — положительный. Притягиваясь друг к другу, они тесно взаимодействуют и в зависимости от количества протонов и электронов образуют атомы разных материй.
Сами протоны располагаются в ядре атома, а вот электроны вращаются возле них по кругу. Атомы с количеством протонов равным числу электронов имеют нулевой заряд. Например, если камень янтаря лежит сам по себе, и его никто не трогает, то его атомы также имеют нулевой заряд. Но стоит потереть атомы янтаря об атомы шерсти, как электроны из шерсти мигом переберутся на янтарные, и их «переизбыток» сделает заряд отрицательным. Такой камушек с «новой силой» и начинает притягивать к себе мелкие предметы с нулевым или положительным зарядом, а если у предмета будет отрицательный заряд — он их оттолкнет.
Электрический ток — организованный отряд электронов
Но каким образом электричество живет в розетке, если все настолько рассеянно в этой схеме?
Почти все атомы могут терять и хватать электроны. Так, если у одних их будет избыток, а у других —недостаток, то направляемые электрическими силами электроны устремятся туда, где их не хватает. Вот этот поток и называется электрическим током.
Среди привычных нам понятий электрический ток похож на реку, которая, разливаясь на множество ответвлений, питает электроприборы. Но перед тем, как направить этот поток отрицательно заряженных частиц, их нужно откуда-то взять?
Над этим вопросом бились лучшие умы прошлого тысячелетия, но первым смог сделать прорыв итальянский ученый — Алессандро Вольта, который в 1800 году изобрел первую батарею, получившую название «Вольтов столб», тем самым подарив миру надежный источник постоянной электроэнергии. В благодарность за такое открытие фамилия ученого была увековечена, и с того времени напряжение тока измеряется в вольтах.
Откуда берется электричество?
Несмотря на то, что «Вольтов столб» и совершил прорыв в науке того времени, за последующие 200 лет была сделана уйма более глобальных открытий и выявлено множество способов добывать электрический ток, для которых построены огромные сооружения и используются новейшие технологии! А теперь по порядку.
ТЭС — тепловая электростанция
Для выработки тока на ТЭС установлен турбоэлектрогенератор, состоящий из:
- неподвижной части — статора в виде двухполярного магнита;
- вращающегося ротора, который обмотан медной проволокой, так как этот металл считается наилучшим и наиболее доступным проводником.
Беспрерывное вращение магнита постоянно меняет полярность (полюса) отчего электроны в проволоке приходят в движение, как в примере с янтарем и шерстью, только в больших масштабах. Но чтобы весь этот механизм работал и вырабатывалось электричество, «что-то» должно крутить огромную турбину. Для этой цели на ТЭС установлены огромные котлы, которые нагревают воду до 450 ℃, отчего она превращается в пар. Далее под высоким давлением пар поступает из котла на лопасти, закрепленные к ротору, и запускает его в работу с невероятной скоростью — 3000 оборотов в минуту!
АЭС — атомная электростанция
Здесь так же, как и в ТЭС, установлен турбоэлектрогенератор, но вот за нагрев воды отвечает очень опасный, но энергоэффективный Уран-235. Чтобы он выделил тепло, на АЭС построены огромные ядерные реакторы, в которых Уран-235 распадается на мелкие частички, отчего и вырабатывается большое количество энергии, используемой для нагрева воды до состояния пара и запуска турбоэлектрогенератора.
ГЭС — гидроэлектростанция
Более безопасный, но не менее эффективный способ получения энергии. Хотя для него и потребуется соорудить целую цепь гидротехнических сооружений, чтобы создать необходимый напор воды для обеспечения работы турбин электрогенератора. А далее принцип, как и в предыдущих двух электростанциях: крутится ротор и вырабатывается электричество.
Ветряные станции
Выглядят они величественно и красиво, да и с помощью силы ветра еще в древности запускали в работу огромные механизмы, такие как ветряные мельницы.
В современном мире решили усовершенствовать этот механизм и использовать для преобразования механической энергии в электрическую. Принцип следующий: ветер толкает огромные лопасти, которые запускают в работу ротор генератора, а он уже, как мы знаем на примере первых трех электростанций, и вырабатывает ток.
Но таким способом при помощи одного ветрогенератора не обеспечишь электричеством даже небольшой городок, поэтому и устанавливается целая сеть огромных механизмов, состоящая из 100 и более единиц.
Немного истории
Первая в мире электростанция для общественного пользования «Перл Стрит» была построена в Нью-Йорке в 1882 году. Ее спроектировал и установил не кто иной, как Томас Эдисон . И даже не брал плату за пользование вырабатываемой электроэнергией, пока весь механизм не заработал слаженно и без перебоев.
Но «прабабушка» всех станций могла зажечь только 10000 ламп, хотя и по тем временам это было чем-то сверхъестественным. В то же время современные электростанции вырабатывают в тысячи раз больше, обеспечивая электрическим током города с населением в 100000 человек!
Как электрический ток поступает в дома?
После того, как электростанции выработают ток, он по кабелю попадает на распределительную подстанцию для измерения и преобразования. Там же установленные трансформаторы повышают напряжение до 10000 вольт. Благодаря такому напряжению ток с минимальными потерями передается на дальние расстояния с невероятной скоростью, составляющей до 3000 км в секунду!
Потом ток поступает на понижающую подстанцию, где трансформаторы уменьшают напряжение до 220 вольт — стандарт, принятый в РФ. И далее электричество направляется на распределительные сети города, а оттуда — к вам в дом и квартиру. Вот такой непростой путь он проделывает, чтобы зарядить наш телефон, зажечь лампочку или заставить работать холодильник.
Как ток заставляет работать электроприборы?
Но как же у тока получается запустить в работу электрические устройства? Для наглядного понимания возьмем за основу обычную лампу накаливания и вернемся к нашим маленьким частицам.
Когда электроны с невероятной скоростью проходят по спирали лампочки, они постоянно наталкиваются на атомы металла, из которых состоит спираль. Атомы раскачиваются, и их температура сильно поднимается. Таким образом, электрический ток нагревает спираль лампы до 3000 градусов, отчего она начинает светиться. Именно поэтому для спирали не подходит использование любого металла, потому что он просто будет плавиться из-за высокой температуры.
В современных устройствах — мобильных телефонах, телевизорах, микроволновых печах — задействованы более сложные схемы, но принцип остается таким же: из-за быстрого потока частиц атомы проводников нагреваются, отчего и выделяют энергию и запускают в работу приборы.
Не только друг, но и враг!
Конечно же, электричество — важное и незаменимое изобретение для всего человечества. С его помощью люди:
- сделали и ежедневно делают уйму открытий;
- лечат смертельные в прошлом болезни;
- ездят на электротранспорте, не загрязняя окружающую среду выхлопными газами;
- могут путешествовать по миру, узнавать и видеть достопримечательности не выходя из дома!
Всей пользы электричества просто не описать в одной статье!
Но при всем этом ток может быть и опасным и в долю секунды забрать жизнь любого живого существа.
Кстати, любопытный факт. Птицы, которые сидят на высоковольтных проводах, не получают разряда из-за того, что принимают такое же напряжение, как и в самом кабеле. Дело в том, что они сидят только на одной фазе, но если вдруг хвостом или другой частью тела птица коснется земли, столба или другого провода, то ток сразу же ее ударит.
Правила безопасного обращения с электричеством для детей
Маленькие дети не понимают всей опасности обращения с электричеством. Конечно, речь сейчас идет не об игрушках, питающихся от батареек напряжением в 12 вольт, а об опасном и сильном «звере», живущем в розетках. Поэтому малышей нельзя оставлять вблизи розеток без специальных заглушек, да еще и без родительского присмотра.
Для более взрослых детей стоит провести беседу и объяснить следующие правила. Нельзя:
- Ставить или вешать посторонние предметы на провод прибора.
- Закручивать кабель в узлы.
- Пользоваться грязным проводом.
- Использовать электроприбор вблизи источников тепла: батарей, плит, духовых шкафов и т. п.
- Включать несколько мощных устройств одновременно в одну розетку. Покажите ребенку, где и как можно посмотреть мощность, или сами заранее составьте список, что с чем можно включать, а что — нет.
- Использовать или пытаться починить сломанный электроприбор, в том числе если нарушена изоляция (целостность) кабеля, повреждена вилка и т. п.
- Браться мокрыми руками за прибор или кабель.
- Тянуть за шнур (нужно выключать прибор из розетки, держась за вилку).
Также могут возникнуть непредвиденные ситуации:
- искры из розетки;
- дым от кабеля или прибора;
- запах гари и т. п.
На этот случай необходимо показать ребенку, где находится электрический щиток и как его выключить, и объяснить, что после отключения электричества нужно обязательно позвонить кому-то из взрослых.
И в заключение
Мы живем в прекрасное время, когда с помощью электричества создаются невероятные вещи, делающие нашу жизнь комфортной и безопасной. Чтобы оставить нам этот бесценный дар, многие ученые положили десятилетия своей жизни на его изучение. А с нашей стороны требуется всего лишь малость — научить детей правилам обращения с электричеством и подать им правильный пример, чтобы все труды лучших умов были использованы лишь на благо человечества!