Ребята, так как вы тут все такие круты электрики, то помогите разобраться. Как то вчера пробило всё таки разобраться в природе тока. Разобрался. Но, чем больше узнал, тем больше вопросов. Первое: если постоянный ток - это когда электроны в цепи движутся только в одном направлении от отрицательных ионов к положительным, то в сети переменного тока электроны движутся то в одном, то в другом направлении. Вопрос: почему же всё-таки в переменном токе различают фазу (+) и ноль (-) и они местами не меняются?
Вообще, электричество ведёт себя очень похоже на трудносжимаемую, очень текучую воду. Многие штуки с электричеством становятся гораздо нагляднее и понятнее, если их через жидкость объяснять. Например, напряжение подобно давлению воды. Ток - течению воды в трубе, а сопротивление - куску ваты, засунутому в трубу. Так можно наглядно представить себе множество электрических процессов и, например, формулы из картинки к посту не нужно будет запоминать - станет интуитивно понятно, что на что надо делить или умножать.
Представить себе это можно примерно так: Фаза подобна силе, толкающей электроны туда-сюда. Ноль подобен месту, в которое электроны могут деться. Ноль обычно заземляется, так что если соединить проводом фазу с землёй (с планетой, а не с веществом :) - по проводу побежит ток. Если соединить ноль с землёй - ток не побежит, так как ноль обычно соединён с планетой ещё и в генераторах с трансформаторами. Это можно проверить, померив напряжение между каждой дыркой в розетке и, например, батареей.
Если посмотреть на реальный генератор переменного тока, трёхфазный, то в нём 4 провода. Три фазы и ноль. Внутри генератора - три обмотки, соединённые концами вместе (это место - как раз ноль). Тогда между фазами напряжение, например, 380В, а между каждой фазой и нулём тогда - 220В. Фазное напряжение больше линейного на корень из трёх.
Чем это поможет нам? Например - нужно помнить про землю, когда меняешь лампочку в ванной. Если схватиться одной рукой за фазу, а другой - за кран, можно испытать, что такое 220В. В некоторых местах, где земля повсюду (в шахтах, например) ноль не заземляют и там хвататься за фазу и землю не так опасно.
Получается в нашей обычной сети используются трёхфазные генераторы (соединение «звездой») с нейтральным проводом, который уходит в землю? А ноль в розетке тоже берётся где-нибудь на месте уже из земли или нет?
Генераторы - далеко, они на тэц стоят. (Хотя ответ - да, генераторы трёхфазные с заземлённой нейтралью. Есть и другие варианты, но пока не будем о них.) Электричество с генераторов преобразуется трансформаторами много раз, так что лучше посмотреть на ТП, трансформаторные подстанции. С них мы непосредственно запитываемся. Там трёхфазный трансформатор, обмотки которого соединены в звезду. Центр этой звезды заземлён и к этому центру присоединён нулевой провод, который приходит к нам в квартиру. Казалось бы, можно было обойтись без этого провода, но сопротивление земли больше, чем сопротивление медного провода, а значит, были бы достаточно большие потери.
Смотри, вот у батарейки на одном полюсе минус, а на другом плюс. Относительно минуса на другом конце +1,5 вольта. Относительно плюса на другом конце -1,5 вольта. В переменном токе один конец всегда стоит на месте как точка опоры. А на втором конце постепенно меняется - то плюс 310, то минус 310, с плавным переходом через ноль. 50 раз в секунду на бегающем проводе относительно "точки опоры" бывает плюс максимум. И 50 раз в секунду там минус максимум. И между этими максимумами 100 раз в секунду там вообще ноль. Конкретно в розетке именно такая ситуация. Тот провод, который стоит на месте - он и математически и физически и как угодно именно "ноль" и есть, на нём грубо говоря нифига нет. А вот второй, на котором движуха - он называется "фаза". Они не плюс и минус. Ноль это ноль, а фаза это то плюс то минус.
Начинает что-то проясняться. Получается фаза пытается то забрать электроны из земли, то отдать и делает это с частотой в 50 Гц.
Тогда следующий вопрос уже по постоянному току: почему цепь обязательно должна быть замкнутой? То есть, если взять две батарейки и к разным полюсам обеих присоединить лампочку, то она не загорится до тех пор, пока не будут соединены между собой эти батарейки оставшимися концами. Но ведь исходя из того что я знаю, минус батарейки и так пытается отдать электроны, а плюс пытается их получить, получается что электроны должны "выбегать" из минуса при любой возможности или не так?
Ну так они и выбегут при первой возможности. Но электроны – это не что-то самостоятельное, это часть атома. Они могут только вместе с ядром атома рядом находиться. Бывают изредка ситуации, когда электроны норовят оторваться и улететь, оставив ядро, но это скорее исключение чем правило. Такое явление, когда электроны самопроизвольно улетают, называет радиоактивность. А так они обычно крутятся более-менее постоянно возле ядра. При чём все электроны типа одинаковые, и им пофиг возле какого ядра крутиться. Если от одного ядра электрон перешёл к другому, то его место займёт тоже какой-то блудный, а тот, на чьё место он стал, сам перейдёт ещё куда-то. У некоторых веществ электроны жёстко держатся возле своих ядер и никуда не уходят. Это диэлектрики. А у тех, у кого электроны более-менее подвижные – это проводники. Когда с одного конца в него вдуваешь избыток электронов, они давят по цепочке на все соседние, и типа выдавливают в конце на улицу другие. Давление от одного конца к другому распространяется со скоростью света, а сами электроны при этом двигаются пару сантиметров в секунду кажися, короче медленно. Но выпихнуть совсем из проводника электрон не получится, нужно только специальные условия создавать. Например нагреть проводник чтобы все атомы стали более подвижны, поместить в вакуум, чтобы вокруг не было толкучки, и тогда они начнут вылетать, но и залетать назад тоже будут. Электроны тусят только возле своих ядер.
Ну почти всё это я уже знаю. Меня интересует вопрос почему электроны не могут переместиться от минуса одной батарейки к плюсу другой, зачем им именно замкнутая цепь? Может я не совсем верно представляю принцип работы батарейки. Сейчас я так понял, что батарейка состоит из отрицательно и положительно заряженных атомов или нет?
Положительным зарядом обладают ядра, а отрицательным электроны. Недостаток электронов есть положительный заряд, а избыток - отрицательный заряд. Батарейка как и любой другой источник тока есть такой девайс, который умеет перемещать электроны, двигать их, давить на них. Принимая их с плюса, и отдавая на минус. Обычный провод не будет засасывать с одного конца электроны и толкать их к другому концу, а батарейка будет. Она создаёт поток электронов, т.е. электрический ток.
Что значит "почему не могут переместиться"? Почему вода не может переместиться из реки прямо мне в чашку? Потому что нужен проводник для этой воды, и сила, которая создаст ток воды. А вылететь из провода и полететь по воздуху электрон не может. Почему - я объяснил. Его удерживают силы притяжения к ядру, при чём сильнее чем давит любой ток. Грубо говоря.
Ты вопрос как-то хитро ставишь, как будто тебе кто-то голову задурил.
Чтобы получилось то, что ты хочешь, нужно открытые концы батареек засунуть в вакуум, и отрицательный конец (который будет отдавать электроны) сильно нагреть.
Я почитал про устройство батареек и понял что мой вопрос был глупым и не правильным. Я просто думал, что батарейка состоит на половину из положительных ионов, которые пытаются восполнить потерю электронов и на половину из отрицательных, которые пытаются отдать лишние. Теперь понял, что батарейка просто с помощью химической реакции создаёт силу для движения электронов в определённом направлении.
Тогда третий вопрос: почему для источника питания так страшно короткое замыкание? Ведь любой электрический прибор по сути и работает, только если цепь замкнута. Например взять ту же лампочку - она ведь горит за счёт того, что с помощью спиральной проволоки замыкает два контакта, то есть по своей сути и создаёт короткое замыкание. Только вот, так сказать, лампочке это можно и с сетью ничего плохого не случается, а вот напрямую соединить два конца провода нельзя, почему такая "не справедливость"?
Чё ж нельзя, можно. Будет эффект больше, чем от лампочки, только и всего. То есть это не для источника тока "страшно", а для человека страшно, какие будут спецэффекты. А источнику пофиг, много он отдаёт или очень много. Можешь даже считать, что он от короткого замыкания самореализовался и достиг просветления. Очень мощно передвинул некий объём электронов через проводник от минуса к плюсу, и при этом израсходовал свой потенциал. Заодно сжёг проводку.
Теперь по поводу физики. Это свойство тока: нагревать проводники и создавать вокруг них магнитное поле. Всегда, когда ток течёт, он производит некий эффект просто от того, что течёт. Поэтому лично мне не нравится сравнение с водой, т.к. она производит эффект не тогда когда течёт, а когда во что-то упирается (в какое-то сопротивление), а просто трубам от воды ни холодно, ни жарко. С током наоборот. Он когда упирается в сопротивление и не течёт – он производит меньший эффект, меньшую работу, чем когда течёт беспрепятственно. Поэтому в том месте, когда начинается разговор не об атомах и электронах, а о конкретно практическом применении тока, о работе, лучше менять контекст, и рассматривать всю эту электрику с позиции "электрического сопротивления".
От одного и того же источника тока меньшему сопротивлению "достанется" больше чем большому. Бесконечно большое сопротивление – никакого тока не будет, и эффекта тоже. "Среднее" сопротивление, лампочка к примеру, – будет отбирать мощности столько, чтобы светиться и греть, но не сгорать. Маленькое сопротивление, "короткое замыкание" – отберёт мощности ещё больше, и возможно сгорит. Как бы электроны произведут слишком много работы протекая через это низкое сопротивление очень большим потоком.
То есть спираль в лампочке - это сопротивление, которое пропускает только определённое кол-во электронов, которое нужно для её разогрева и свечения, а когда на спираль попадает слишком много электронов, при включении, то она перегорает и тоже самое происходит с проводкой при коротком замыкании? Тогда становится понятно, почему провода греются, когда к сети подключено слишком много приборов. Чем больше приборов в сети, тем больше путей у электронов и следовательно их большее кол-во может пройти через провода и создать больший эффект, в частности нагревательный. Интересно, а что будет, если замкнуть концы выходящие из генератора, он так и будет электроны гонять по кругу, если провода выдержат, и всё?
Ну да. Всё будет греться. Провода снаружи, провода в самом генераторе. Магнитное поле в генераторе будет сопротивляться его вращению. Вся приложенная мощность физическая так или иначе израсходуется в разных местах. В основном, на тепло в проводах. И всё в принципе.
С проводкой и лампочкой одно и то же происходит. Лампы накаливания постепенно запрещают всякими нормативами по всему миру, потому что у них КПД около 3%, т.е. это фактически нагревательный прибор, который 97% потреблённой энергии переводит в тепло, и только 3% - в свет. Любой провод мог бы быть лампочкой, если бы он был достаточно тугоплавким, чтобы не расплавляться при той температуре, когда уже начнёт нормально светить. И плюс его нужно поместить в колбу без воздуха, чтобы он не сгорал (буквально) от кислорода в воздухе. А ещё лучше в колбу с инертным газом (галогеном), чтобы он не только не сгорал, но и не испарялся при нагревании.
Ты б с электронами сильно не заморачивался... Они только для теории нужны на учёбе где-то. И для науки.
Ну так мне именно и интересна была природа тока. А исходя из понятия электронов и их роли в природе данного явления многие вещи становятся понятными. Вообщем спасибо за разъяснения. Сейчас практически всё стало на свои места.
В практике такая штука как "куда именно течёт ток" не нужна. Она нужна только в теории. Поясню. После замыкания цепи ток возникает сразу по всей длине цепи. Он есть сразу везде. Для цепи, для включённых деталей и приборов важно одно - есть ток или нет, а вовсе не "куда он течёт". А по поводу направления течения - это важно в теории. Во всяких мудрствованиях, моделированиях и расчётах.
Даже когда дело доходит до сложных цепей, до полупроводников и до плюса с минусом, там тоже скорей важен потенциал, что больше - то или это. Но не "направление куда течёт ток".
Теперь, зачем это вообще нужно. Когда некий умник сидит над схемой, и пытается понять как она работает, или пытается рассказать студентам, он должен умно и грамотно объяснять, как и куда потечёт ток. И для этого условились, что "ток течёт от плюса к минусу". Именно условились. И именно для теории. Если же пытаться въехать в суть вопроса доскональней, то физическая основа тока - это движение электронов по проводам. "Лишние" электроны от одного атома отрываются, к другому прилипают, и т.д. И поскольку сами электроны имеют отрицательный заряд, то по факту движется минус. От минуса отлипают электроны и движутся в сторону плюса. То есть, если доебаться, то ток по факту идёт от минуса к плюсу.
Сами электроны движутся со скоростью несколько сантиметров в секунду. А давление, создаваемое ими на всю цепь (тот самый ток) распространяется со скоростью света. Типа как напор воды в трубе передаётся сразу, хотя сама вода движется не спеша.
Поскольку ток распространяется со скоростью света, то и у выключателя, и в дальнем конце от него ток возникнет одновременно, и поэтому абсолютно по барабану, где ставить предохранитель.
Кроме того, предохранитель вопреки распространённому заблуждению, защищает не прибор, а сеть, то есть предохраняет от распространения ахтунга за пределы прибора. То есть, если он сгорел, то лампочке так или иначе уже кирдык.
Верно, он пропускает ток в направлении стрелки. Но при этом не важно, откуда ток выходит и куда приходит. Если минусовой ток идёт от минуса к плюсу или плюсовой ток идёт от плюса к минусу - без разницы. Главное, чтобы сверху у диода был плюс, а снизу минус.
Между теоретическим описанием электрического тока и его практическим применением целая пропасть, тут нужно решить по каким правилам играть: по научным, или по практическим.
Научное описание работы этой цепи такое: от плюсового контакта источника питания пошёл ток, прошёл по цепи через сопротивление R, потом через светодиод, и дошёл до противоположного (отрицательного) вывода источника питания. В итоге цепь замкнулась.
На практике выглядит так: к светодиоду подвели "минус" на катод и "плюс" на анод через токоограничительный резистор. Ток включили, светодиод загорелся.
Можно считать, что ток к светодиоду пришёл одновременно сразу с двух сторон.
20 лет в электронике ковыряюсь, ни разу не требовалось рассматривать "постепенное заполнение схемы током". Всегда все явления существуют в моменте.
Я хотел показать более простой взгляд на электрический ток, в итоге всё запутал сильнее. В норме двигаются только электроны. Движение однонаправленное. В металлах не все электроны привязаны жёстко к своим атомам, и могут перемещаться от своего ядра к соседнему. В итоге все потихоньку смещаются в одном (или другом) направлении, это и есть электрический ток. Есть ещё p-полупроводники, в которых недостаток электронов, то есть существуют так называемые дырки. Это те места, где должен бы быть электрон, но где его нет. И вот эти пустые области могут перемещаться, создавая дырочную проводимость, но это уже мы лезем в дебри. Формально, это было бы движение положительных зарядов.
Есть ещё полевая теория проводимости, не признанная наукой, суть кратко в том, что электроны вообще ни при чём, а ток проводит электрическое поле вокруг проводника. Я это к тому, что все эти теории - не более чем теории. Решая практическую задачу проще и нагляднее считать, что ток к прибору подходит с двух сторон. Подвели - работает, не подвели - не работает. И уж точно он подходит к нему мгновенно, а не постепенно входя с одного конца и выходя из другого.
А формально - в одну сторону, электронами, от минуса к плюсу. А для разбора схем и прочего блаблабла условились, что таки от плюса к минусу. Такая нескладуха, емнип, получилась потому что сначала условились, а потом внезапно нашли электрон, померяли заряд, и оказалось что он отрицательный.
ну да, все сходится, корпускулярно-волновой дуализм? то есть неизвестно вообще что такое материя - частица или волна. когда нет наблюдателя, электрон в суперпозиции, то есть где угодно внутри проводника и даже, кое-где снаружи :)) движения нет а работа идет)) короче магия, я так и знал...
Лучше погугли/спроси знающего человека. Я разбираюсь в этом довольно примерно, но, как я понимаю, ноль соединен, например, с землей(не с проводом, а с поверхностью) и, соответственно, напряжение на нем относительно земли таки нулевое. А фаза - просто провод, в котором переменный ток до 220.
