Какими свойствами обладает электрическая энергия
Из всех видов энергии в настоящее время наиболее широко применяется электромагнитная энергия, которую называют электрической.
Применение электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать и внедрить целый ряд технологических процессов в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту, основанных на новых принципах, ускоряющих, облегчающих и удешевляющих процесс получения окончательного продукта, а также создать комфорт в производственных и жилых помещениях.
Электрическая энергия кардинально изменила производство. Ее уникальное свойство переходить в другие виды энергии всегда считалось физической основой техники будущего, и прежде всего электротехники и электроэнергетики, которые уже в начале XX века стали началом научно-технической революции. И совсем уж недаром первые шаги электротехники были названы «колоссальной революцией». Развитие электроэнергетики сегодня является основным условием научно-технического прогресса и технического совершенствования производства.
Это обусловлено следующим:
– В электрическую легко преобразуются любые виды энергии (тепловая, атомная, механическая, химическая, лучистая, энергия водного потока), и наоборот, электрическая энергия легко может быть преобразована в любой другой вид энергии.
– Электроэнергию можно передавать практически на любое расстояние.
– Ее можно легко дробить на любые части (мощность электроприемников может быть от долей ватта до тысяч киловатт).
– Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.
– Управление процессами, в которых используется электроэнергия, обычно очень простое (нажатие кнопки, выключателя и т. п.).
– Использование электроэнергии способствует созданию комфортных условий на производстве и в быту.
Единственным недостатком электрической энергии является «отсутствие склада готовой продукции», т. е. запасать электроэнергию и сохранять эти запасы в течение больших сроков человечество еще не научилось. Запасы электроэнергии в аккумуляторах, гальванических элементах и конденсаторах достаточны лишь для работы сравнительно маломощных установок, причем сроки хранения этих запасов ограничены. Поэтому электрическая энергия должна быть произведена тогда и в таком количестве, когда и в каком ее требует потребитель.
Электроэнергию преобразуют в механическую с помощью электродвигателей, которые используют для привода станков и вращающихся машин в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и быту.
Кроме того, электрическую энергию широко используют в технологических установках для нагрева изделий, плавления металлов, сварки, электролиза, для получения плазмы, новых материалов с помощью электрохимии, для очистки материалов и газов и т. д.
Работа современных средств связи — телеграфа, телефона, радио, телевидения, Интернета — основана на применении электрической энергии. Без нее невозможно было бы развитие кибернетики, вычислительной и космической техники и т. д.
Электроэнергия является сейчас практически единственным видом энергии для искусственного освещения. Намечаются и осваиваются новые области использования электрической энергии (магнитная подушка для транспортных средств, электромагнитные насосы для перекачивания жидких металлов и т. п.).
Всем ясно, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества. Она используется абсолютно всеми бытовыми электроприборами: холодильниками, стиральными машинами, осветительными приборами, утюгами, микроволновыми печами, компьютерами, телевизорами и т. д. Трудно представить, как бы мы жили, погасни свет в квартире или замолчи телевизор.
Помимо городских квартир, большое количество электроэнергии потребляют подсобные хозяйства фермеров, на которых имеются не только жилые, но и хозяйственные постройки.
Как хозяин в доме, вы должны знать об электричестве больше, нежели просто уметь сменить пробки или вкрутить лампочку. Необходимо понимать зависимость между током, напряжением и мощностью, преимущества и недостатки переменного тока.
Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакуумепри определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.
Электрический ток имеет следующие проявления:
– нагревание проводников (в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты);
– изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
– создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).
Постоянный ток
Постоянным током называется электрический ток, который не изменяется во времени по направлению. Источниками постоянного тока являются гальванические элементы, аккумуляторы и генераторы постоянного тока.
Переменный ток
Переменным называется электрический ток, величина и направление которого изменяются во времени. Область применения переменного тока намного шире, чем постоянного. Это объясняется тем, что напряжение переменного тока можно легко понижать или повышать с помощью трансформатора, практически в любых пределах. Переменный ток легче транспортировать на большие расстояния.
При подключении к источнику переменного тока с синусоидально изменяющейся э. д. с. электрических цепей с линейными сопротивлениями в них будут действовать синусоидально изменяющиеся напряжения и проходить синусоидально изменяющиеся токи. Переменные токи, э. д. с. и напряжения характеризуются четырьмя основными параметрами: периодом, частотой, амплитудой и действующим значением.
Период.
Промежуток времени Т, в течение которого э. д. с, напряжение и или ток i (рис. 169, а) совершают полный цикл изменений, называется периодом. Чем быстрее вращается виток или ротор генератора переменного тока, тем меньше период изменения э. д. с. или тока.
Частота.
Число полных периодов изменения э. д. с, напряжения или тока в 1 с называется частотой, f = 1 / T
Она измеряется в герцах (Гц), т. е. числом периодов в секунду. Чем больше частота, тем меньше период изменения тока, напряжения или э. д. с. (рис. 169,б). В Советском Союзе все электрические станции переменного тока вырабатывают ток, изменяющийся с частотой 50 Гц, т. е. 50 периодов в секунду. В автоматике и радиотехнике применяют электрические токи и более высоких частот. Такие частоты измеряются в килогерцах (1 кГц = 103 Гц) и мегагерцах (1 МГц = 106 Гц).
·
Рис. 169. Кривые изменения синусоидального переменного тока при различной частоте
Из рис. 169,а следует, что в течение времени одного периода Т фаза t тока (э. д. с. или напряжения) изменяется на угол 360°, или 2 радиан.
Эту величину называют угловой частотой переменного тока, она имеет размерность рад/с.
Амплитуда. Наибольшее значение переменного тока (переменных э. д. с. и напряжения) называют амплитудным значением, или амплитудой. В рассмотренном нами простейшем генераторе переменного тока (см. рис. 168, а) э. д. с. е дважды достигает амплитудного значения: во время первого полуоборота +Ет (направлена от начала витка к его концу), а во время второго полуоборота — Ет (направлена от конца витка к его началу). Точно так же за один период ток i 2 раза достигает амплитудного значения: Iт и — Iт. Амплитудное значение тока, напряжения и э. д. с. в формулах обозначают соответствующими буквами с индексами «т», т. е. Iт Uт, Ет и др.
Действующее значение. Ток, напряжение и э. д. с, действующие в электрической цепи в каждый отдельный момент времени, определяются так называемыми мгновенными значениями. Эти значения принято обозначать строчными буквами i, и, е. Однако судить о переменных э. д. с, токе или напряжении по их мгновенным значениям неудобно, так как эти значения непрерывно меняются. Поэтому оценивать способность переменного тока совершать механическую работу или создавать тепло принято по действующему его значению.
Под действующим значением переменного тока понимают силу такого постоянного тока (прямая 2 на рис. 169,а), который, проходя по проводнику в течение некоторого времени (например, в течение одного периода или 1 с), выделит в нем такое же количество тепла (произведет такую же механическую работу), как и данный переменный ток (кривая 1). Действующие значения тока, напряжения и э. д. с. обозначают соответственно I, U, Е.
При синусоидальном переменном токе
I = Iт / 2 = 0,707 Iт
Если известно действующее значение тока I, то его амплитудное значение
Iт = 2 I = 1,41 I
Аналогично для синусоидальных напряжений и э. д. с.
U / Uт = Е1 / Ет = 1 / 2 = 0,707
На практике для характеристики параметров переменного тока используют, главным образом, действующие значения тока, напряжения и э. д. с. Например, когда говорят, что напряжение в осветительной сети переменного тока составляет 220 В или что по цепи проходит ток 100 А, то это значит, что в данной сети действующее значение напряжения равно 220 В или что действующее значение тока, проходящего по данной цепи, равно 100 А.
Электрическая энергия и механическая работа, создаваемые переменным током в различных электрических устройствах, пропорциональны действующим значениям тока и напряжения. Большая часть существующих приборов для измерения переменного тока измеряет действующие значения тока, напряжения и э. д. с.
Электрическая цепь — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.
Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой.
Источник
Электрическая энергия, ее свойства и
применение
Из всех видов
энергии в настоящее время наиболее широко применяется электромагнитная энергия,
которую называют электрической.
Применение
электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех
областях деятельности человека, автоматизировать и внедрить целый ряд
технологических процессов в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве
и быту, основанных на новых принципах, ускоряющих, облегчающих и удешевляющих
процесс получения окончательного продукта, а также создать комфорт в
производственных и жилых помещениях.
Электрическая
энергия кардинально изменила производство. Ее уникальное свойство переходить в
другие виды энергии всегда считалось физической основой техники будущего, и прежде
всего электротехники и электроэнергетики, которые уже в начале XX века стали
началом научно-технической революции. И совсем уж недаром первые шаги
электротехники были названы «колоссальной революцией». Развитие
электроэнергетики сегодня является основным условием научно-технического
прогресса и технического совершенствования производства. Это обусловлено
следующим.
·
В электрическую легко преобразуются любые виды
энергии (тепловая, атомная, механическая, химическая, лучистая, энергия водного
потока), и наоборот, электрическая энергия легко может быть преобразована в
любой другой вид энергии.
·
Электроэнергию можно передавать практически на
любое расстояние.
·
Ее можно легко дробить на любые части (мощность
электроприемников может быть от долей ватта до тысяч киловатт).
·
Процессы получения, передачи и потребления
электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.
·
Управление процессами, в которых используется
электроэнергия, обычно очень простое (нажатие кнопки, выключателя и т. п.).
·
Использование электроэнергии способствует
созданию комфортных условий на производстве и в быту.
Единственным
недостатком электрической энергии является «отсутствие склада готовой
продукции», т. е. запасать электроэнергию и сохранять эти запасы в течение
больших сроков человечество еще не научилось. Запасы электроэнергии в
аккумуляторах, гальванических элементах и конденсаторах достаточны лишь для
работы сравнительно маломощных установок, причем сроки хранения этих запасов
ограничены. Поэтому электрическая энергия должна быть произведена тогда и в
таком количестве, когда и в каком ее требует потребитель.
·
Электроэнергию преобразуют в механическую с
помощью электродвигателей, которые используют для привода станков и вращающихся
машин в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и быту.
·
Кроме того, электрическую энергию широко
используют в технологических установках для нагрева изделий, плавления
металлов, сварки, электролиза, для получения плазмы, новых материалов с помощью
электрохимии, для очистки материалов и газов и т. д.
·
Работа современных средств связи — телеграфа,
телефона, радио, телевидения, Интернета — основана на применении электрической
энергии. Без нее невозможно было бы развитие кибернетики, вычислительной и
космической техники и т. д.
·
Электроэнергия является сейчас практически
единственным видом энергии для искусственного освещения. Намечаются и
осваиваются новые области использования электрической энергии (магнитная
подушка для транспортных средств, электромагнитные насосы для перекачивания
жидких металлов и т. п.).
Всем ясно, что
без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества.
Она используется абсолютно всеми бытовыми электроприборами: холодильниками,
стиральными машинами, осветительными приборами, утюгами, микроволновыми печами,
компьютерами, телевизорами и т. д. Трудно представить, как бы мы жили, погасни
свет в квартире или замолчи телевизор.
Помимо
городских квартир, большое количество электроэнергии потребляют подсобные
хозяйства фермеров, на которых имеются не только жилые, но и хозяйственные
постройки.
Как хозяин в
доме, вы должны знать об электричестве больше, нежели просто уметь сменить
пробки или вкрутить лампочку. Необходимо понимать зависимость между током,
напряжением и мощностью, преимущества и недостатки переменного тока.
Основные
этапы развития электротехники
Решающая роль
в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электрификации. Как
известно, под электрификацией понимается широкое внедрение электрической
энергии в родное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, в том
или ином виде не использовалась бы электрическая энергия в будущем ее
применение будет еще более расширяться.
Под электротехникой
в широком смысле слова подразумевается область науки и техники,
использующая электрические и магнитные явления для практических целей.
Это общее
определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные
области, в которых используют электрические и магнитные явления: преобразование
энергии природы (энергетическая); превращение вещества природы
(технологическая); получение и передача сигналов или информации
(информационная).
Поэтому более
полно электротехнику можно
определить, как область науки и техники,
использующую электрические и магнитные явления для осуществления процессов
преобразования энергии и превращения вещества, а также для передачи сигналов и
информации.
В последние
десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее
направлениями:
·
информационное,
·
энергетическое,
·
технологическое, которые с каждым годом
приобретают все большее значение в ускорении научно-технического прогресса.
В развитии
электротехники условно можно выделить следующие шесть этапов.
1. Становление электростатики (до 1800 г.)
К этому
периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание
первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного
электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона
Кулона, зарождение электромедицины.
2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ (1800 — 1830
гг.)
Начало этого
периода ознаменовано созданием «вольтова столба» — первого электрохимического
генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью
которой им была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий.
Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств
электрического тока, законов Ампера, Био – Савара, Ома, создание прообраза
электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора),
установление связей между электрическими и магнитными явлениями.
3. Зарождение электротехники (1830—1870 гг.)
Самым
знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления
электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора.
Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов,
формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники
электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается
электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение
электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического
генератора.
4. Становление электротехники как самостоятельной отрасли техники
(1870—1890 гг.)
Создание
первого измышленного электромашинного генератора с самовозбуждением
(динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится
самостоятельной отраслью техники.
В связи с
развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в
электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических
станций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится
товаром, и все более остро ощущается необходимость централизованного
производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния.
Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможности
трансформации постоянного тока.
Значительным
стимулом к, внедрению переменного тока явилось изобретение «электрической
свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электрической энергии
посредством индукционных катушек, представлявших собой трансформаторе
разомкнутой магнитной системой. Однако однофазные двигатели были непригодны для
целей промышленного электропривода.
Одновременно
разрабатываются способы передачи электрической энергии на большие расстояния
посредством значительного повышения напряжения линий электропередач.
Дальнейшее
развитие электрического освещения способствовало совершенствованию
электрических машин и трансформаторов; в середине 80-х гг. началось серийное
производство однофазных трансформаторов с замкнутой магнитной системой (М. Дери,
О. Блати, К. Циперновский).
Идея П. Н.
Яблочкова о централизованном производстве и распределении электроэнергии
претворяется в жизнь, начинается строительство центральных электростанций
переменного тока. Однако развивающееся производство требовало комплексного
решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономичной передачи
электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надежного
электрического двигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного
электропривода. Эта проблема была успешно решена на основе многофазных, в
частности трехфазных систем.
5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.)
Важнейшей
предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления
вращающегося магнитного поля. Первые многофазные двигатели были двухфазными.
Трехфазная
система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преимуществ как
перед однофазными цепями, так и перед другими многофазными системами. В
разработку трехфазных систем большой вклад сделали ученые и инженеры разных
стран. Но как будет показано далее, наибольшая заслуга принадлежит М. О.
Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер,
создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели,
трансформаторы.
Убедительной
иллюстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франкфуртская
электропередача (1891 г.),
сооруженная при активном участии Доливо-Добровольского.
С этого
времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции,
возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции
электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает
господствующее положение в системе промышленного привода. Процесс
электрификации постепенно охватывает все новые области производства:
развивается электрометаллургия, электротермия, электрохимия. Электрическая
энергия начинает все более широко использоваться в самых разнообразных отраслях
промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.
Широкое
применение переменного тока потребовало теоретического осмысления и
математического описания физических процессов, происходящих в электрических
машинах, линиях электропередач, трансформаторах. Расширяются исследования
явлений в цепях переменного тока с помощью векторных и круговых диаграмм.
Огромную
прогрессивную роль в анализе процессов в цепях сыграл комплексный метод,
предложенный в 1893—1897 гг. Ч. П. Штейнмецом.
С развитием
крупных энергосистем и увеличением дальности электропередач возникла серьезная
научно-техническая проблема обеспечения устойчивости параллельной работы
генераторов электростанции, которая была решена отечественными и зарубежными
учеными. Теоретические основы электротехники становятся базой учебных дисциплин
в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.
6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.)
Рост
потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызвал
необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению,
а затем бурному развитию промышленной электроники.
Электротехника
становится базой для разработки автоматизированных систем управления
энергетическими и производственными процессами. Создание разнообразных
электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным
образом повысить эффективность автоматизации процессов вычислений, обработки
информации, осуществлять моделирование сложных физических явлений, решение
логических задач и др. при значительном снижении габаритов, устройств,
повышении их надежности и экономичности.
Значительный
прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем
(БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные
размеры составляют 2—3 мкм. Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров,
осуществляющих цифровую обработку информации по программе, и микроЭВМ.
Быстрое
развитие микроэлектроники обусловило возникновение и заметный прогресс новой
области науки и техники — информатики. Уже в начале 80-х гг. как в нашей
стране, так и за рубежом стали изготовлять микропроцессоры и микроЭВМ в одном
кристалле. Все это дает огромный эффект в повышении надежности, снижении
габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных устройств, используемых в
различных производственных процессах, автоматизированных систем управления, на
транспорте, в бытовых устройствах.
Более подробно:
https://www.mukhin.ru/stroysovet/electro/index.html
https://www.electrolibrary.info/history/jetapy.htm
Источник