ГЕНЕРАТОР КАК ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
В
данной материале рассмотрим основы электротехники с точки зрения логики. Для
тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но и
спрашивать вроде как то уже и неприлично.
1. Что такое электрический ток. (часть материала позаимствована - источник)
"Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал/потек/покатился по проводам" (с)
Сначала кратко традиционное понятие от образования ортодоксов.
Электрический ток - это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас
имеются электроны и немножко ионы. Ионы - это атомы, которые потеряли или
приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую
нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом
электрически нейтрален - заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом
электронной оболочки. Ионы обычно являются
переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями
являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны
могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах
электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню,
данный материал - это объяснение ортодоксальной физики на пальцах! Подробнее искать по
"электронная теория проводимости").
Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся по версии ортодоксальной физики - "электронами". Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что, положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника. Именно такая версия сегодня доминирует в образовании.
Моя верcия кардинально отличается, с ней можете ознакомится в материале "ЭДС и ТОК", в котором я рассмотрел саму суть контурного электромагнитного явления, как электрическая цепь и что там происходит. В данном материале рассмотрим понятие которое можно обозвать ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСТВА.
"Создание электрического тока".
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что
залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В
куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если
электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет не скомпенсированный
положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут
только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но
если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то
образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника
можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль
проводника, если их заставить. Если концы проводника
соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может
идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы
заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль
насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым
создает электрический ток. По-научному батарейка и электромеханический
альтернатор называется генераторами. Так в электротехнике называют насос для
создания электрического тока.
Бывают
два типа генераторов - генератор напряжения и
генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунки ниже
рис 1. Генератор напряжения величиной U рис 2. Генератор тока величиной I
На первой картинке изображен генератор напряжения, на второй - генератор тока. Интересный такой ребус. Если знать, что ток это результирующая падения напряжения в цепи через которую разряжается источник разности потенциалов электрического поля. Мы продолжим разбираться, так как отличия все таки есть и существенные, по принципу действия.
Насос - генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя - замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь
рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1
В терминах водопроводной аналогии, генератор - это насос, создающий постоянное
давление, выключатель SW1 - это клапан, открывающий\перекрывающий
трубу, сопротивление R1 - это кран/вентиль. который насколько-то
приоткрыт. Этот кран можно прикрыть - сопротивление
увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше - сопротивление
уменьшится, поток воды увеличится. Вроде все интуитивно
понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда
поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения
по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от
величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то
поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать
напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной
модели, когда мощность генератора
бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно
соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.
Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.
рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2
Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I,
и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран).
Открыт кран полностью - ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью - ток все равно будет равен I!
Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники -
Закон Ома ! Возникает вопрос в чем отличие ТОКА и НАПРЯЖЕНИЯ. То, что электронная версия их количества и движения в проводнике не выдерживает ни какой критики, реальным специалистам понятно давно, ответа не было и нет у ортодоксальной физики, а электронная версия так обросла смежными сказками. Основная ошибка это физическое перемещение заряженной частицы. То что электрическое поле - это количество частиц абсурд. Еще раз рекомендую ознакомится
Но прежде чем перейти к дальнейшему рассмотрению нужно еще разобрать два определения источник тока и источник напряжения:
Идеальный источник тока (wikipedia.org) — в теории электрических цепей — представляет собой активный элемент, с двумя зажимами (двухполюсник), ток которого не зависит от напряжения на его зажимах, это так называемый идеальный источник тока. По другому определению, идеальный источник тока — элемент, который даёт во внешнюю цепь ток, сила которого не зависит от сопротивления нагрузки. Электродвижущая сила и внутреннее сопротивление идеального источника тока равны бесконечности. Идеальный источник тока — это источник бесконечной мощности. В обиходе источниками тока иногда называют разные источники электрической энергии, хотя по своим параметрам они, как правило, ближе к идеальному источнику напряжения, например, гальванический элемент или электрический аккумулятор.
Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, протекающего через источник и равно его ЭДС. ЭДС источника может быть задана либо постоянным, либо как функция времени, либо как функция от внешнего управляющего воздействия. В простейшем случае ЭДС определена как константа, обычно обозначаемая буквой ε (Е). Внутреннее сопротивление источника ЭДС равно нулю. Напряжение на выводах идеального источника напряжения не зависит от нагрузки U=E=const. Ток определяется только сопротивлением внешней цепи I=U/R. Модель идеального источника напряжения используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Собственно, идеальный источник напряжения (источник ЭДС) является физической абстракцией, поскольку при стремлении сопротивления нагрузки к нулю R = 0 отдаваемый ток и электрическая мощность неограниченно возрастают, что противоречит физической природе источника.
Если вдуматься, это парадокс терминологии!
Если разбираться по существу вопроса, тогда нужно разобрать принцип действия. Опять же, начнем с базового понятия действия что такое электрический ток, в простейшем электрическом контуре. Закон Ома описывает линейную зависимость между силой тока на участке цепи и электрическим напряжением на этом участке. Установлен Георгом Омом в 1826 году (опубликован в 1827 году) и назван в его честь. Для участка цепи закон Ома выражается формулой: I=U/R. Нас интересует еще один, Закон Ома для полной цепи описывает соотношение между силой тока I в замкнутой электрической цепи, электродвижущей силой источника тока ε [E] и полным сопротивлением цепи R+r. Согласно этому закону, сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи. Закон Ома для полной цепи позволяет вычислять общую величину значения напряжения на самих клеммах источника электрического питания, общий ток и общее сопротивление электрической цепи. Закон Ома для полной цепи выражается формулой : I=E/R+r.
Вы можете самостоятельно пройти все ступеньки изучения данного Закона, я же отмечу главное, в нем есть только две базовые исходные величины определяющие весь закон Ома по принципу действия: Напряжение [U], электрическая составляющая разности потенциалов электрического поля, измеряемой в вольтах и Электрическое сопротивление [R] — физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему. Отсюда что такое электрический ток: Электрический ток или электроток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда. Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную — силу тока, и векторную — плотность тока.
Сила тока I — физическая величина, равная отношению количества заряда ΔQ, прошедшего за некоторое время ∆t, через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени: I=∆Q/∆t. Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (А).
По закону Ома сила тока I на участке цепи, прямо пропорциональна напряжению U, приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению R:
I=U/R.
Даже из данного объяснения СИЛА ТОКА - это действие, вектор некой силы, результирующая, количественная силовая компонента, движения электрического поля (электрических зарядов), которые относятся к напряжению U. Количество зарядов измеряется в кулонах. Кулон (единица измерения, обозначение: Кл, C) — это единица измерения электрического заряда (количества электричества) в Международной системе единиц (СИ). Кулон равен количеству электричества, проходящего, через поперечное сечение проводника, при силе тока 1 А за время 1 с: 1C= 1A *1s (1С = 1As). Единица названа в честь французского физика и инженера Шарля Кулона. Главное на что нужно обратить внимание: количество электричества (единиц измерения электрического поля) при силе тока, которое движется через отрезок проводника с соответствующим сечением. Электрические заряды или статические поля определенного знака имеют свойства притягиваться и отталкиваться. Достаточно обратится к Закону Кулона (закону обратных квадратов Кулона) — экспериментальный физический закон, являющийся одним из основных законов электростатики, который описывает величину действующей между двумя электрически заряженными точечными частицами силы в состоянии покоя в вакууме. Эту электрическую силу условно называют электростатической или кулоновской силой. Хотя закон был известен и раньше, впервые он был проверен и опубликован в 1785 году французским физиком Шарлем Кулоном, по имени которого был назван. Закон Кулона послужил началу развития теории электромагнетизма, поскольку он позволял осмысленно обсуждать количество электрического заряда в объекте изучения. В современной формулировке закон Кулона гласит: Сила взаимодействия F, двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними r12. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы. Если есть два разных электрических потенциала электрического поля то между ними возникает сила притяжения. Разность потенциалов электрического поля, приходя в движение, через проводник или точнее электропроводящий контур, формируют электродвижущую силу Е, которая при перемещении от большего полюса, электрического потенциала, к меньшему, формирует СИЛУ ТОКА. Причиной ЭДС всегда было, есть и будет, разность электрических потенциалов U, E. Движение электрического поля, вернее изменение электрической напряженности, на участке электрического контура, между точками разности электрических потенциалов электрического поля Е, формирует другой вид проявления силового поля - магнитное поле вокруг проводника.
Вы спросите меня, что тебе не нравится, ведь все предельно ясно частицы электричества текут, от "+" к "-", формируется электромагнитная сила или которая имеет ... . Не удовлетворяет, почему не удовлетворяет, я разобрал в своей статье "ЭДС и ТОК", в которой я утверждаю, что сила тока - это вихревое магнитное поле, вокруг проводника, которое образуется только в момент действия ЭДС между полюсами электрического поля. Таким образом становится очевидно что в контуре "генерируется" вихревое магнитное поле, которое собственно и выполняет полезную силовую работу.
Вернемся к понятиям генератор (источник) напряжения и генератор (источник) тока. С точки зрения логики, второе название "генератор тока" звучит немного нелепо. Любое действие в электрическом контуре, это наличие источника разности потенциалов электрического поля, замкнутых в электропроводный контур с элементом нагрузки, в котором в момент разряда (протекания) электрического поля (действие электродвижущая сила) возникает в направлении от большего к меньшему. При этом электрическая напряженность на разных участках будет разная, убывая в ноль к меньшему потенциалу электрода. Сила тока же, будет возникать только при замкнутом контуре проводника между электродами разности потенциалов электрического поля. При этом СИЛА ТОКА всегда одинаковая, на всех участках цепи от большего потенциала к меньшему. Это еще одно свидетельство о магнитной природе силы тока, так как магнитное поле, всегда имеет симметричные полюса магнитного диполя. Запуск формирования СИЛЫ тока это разряд разности электрических потенциалов электрического поля через проводник. Не важно подключили вы электрический контур к гальваническому источнику разности электрических потенциалов или электромагнитному генератору (остальные я не рассматриваю, что бы разобрать на простых примерах). СИЛА ТОКА всегда результирующий показатель преобразования электрического поля с магнитное поле выражаемое в электрической измерительной системе в Амперах.
Разберем как работает гальванический элемент (батарейка, аккумулятор с электролитом).
Гальванический элемент (электрохимическая цепь) — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Гальванические элементы сегодня называют батарейками. Широко распространены три типа батареек: солевые (сухие), щелочные (их называют еще алкалиновыми, «alkaline» в переводе с английского - «щелочной») и литиевые. Принцип их работы — все тот же, описанный Вольта в 1800 году: два металла взаимодействуют через электролит, и во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток.
Аккумуляторная батарея - это устройство, которое накапливает энергию в химической форме при подключении к источнику постоянного тока, а затем отдает ее, преобразуя в электричество (разность электрических потенциалов на электродах). Аккумуляторы используют многократно за счет способности к восстановлению и обратимости химических реакций.
В чем же особенность электрической цепи с гальваническим элементом? Как и утверждалось ранее, гальванический элемент не имеет полного замыкая проводника в контур. Если рассмотреть конструкцию, то между пластинами - электродами с электролите, сила тока не образуется, как бы этого не хотели ортодоксы физики. Короткое замыкание между электродами, выведение его из строя а в некоторых случаях протекание электрохимической реакции с выделением огромного количества тепла, это то же самое если вы накоротко замкнете, электроды активного (заряженного) гальванического элемента. Через электролит сила тока -магнитное вихревой поле не проходит. Таким образом гальванический источник не может быть источником силы тока или генератором силы тока. Когда называют электрический ток, э, что на участке проводника и в замкнутом контуре имеется вихревое магнитное поле за счет преобразования электрического вихревого поля (ЭДС) в магнитное вихревое поле (магнитную индукцию) или Силу Тока.
Начнем с простых арифметических действий на основе экспериментально доказанного Закона Ома : [I = U/R] для замкнутой цепи [I = ε/(R+r)] при этом должно выполнится равенство этих значений тока :
U/R = I = ε/(R+r)
Если вывести еще одно значение из формулы тока для замкнутой цепи, тогда: I = ε/r
В процессе разряда АКБ на нагрузку, аккумулятор выполняет условие, поддержания соответствующей разницы электрических потенциалов, собственно генерирует напряжение, которое выражается формулой I = Естор. / (R+r) . Полная ЭДС будет равна: ε = Естор. + Ubat.
При подключении работающего генератора к нагрузке, произойдет падение напряжения на зажимах/клеммах генератора. Расчётное падение должно быть до уровня действующего напряжения сети с нагрузкой, чтобы выполнилось условие закона Ома: [I = U/R] и для замкнутой цепи [I = ε/(R+r)] .
Магнитная индукция — векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, а именно характеристикой его действия на движущиеся заряженные частицы и на обладающие магнитным моментом тела. Стандартное обозначение: B; единица измерения в СИ — тесла (Тл), в СГС — гаусс (Гс) (связь: 1 Тл = 10000 Гс). Величина магнитной индукции фигурирует в ряде важнейших формул электродинамики, включая уравнения Максвелла. Вектор B в общем случае зависит от координат рассматриваемой точки и времени t. Он не инвариантен относительно преобразований Лоренца и изменяется при смене системы отсчёта. (это означает что притягивание за уши силу Лоренца к наведению ЭДС, чистой воды утопия *)
[ϕ] - ∆Bm*S (действующее значение разности магнитной индукции) = ∆ϕ = ϕmax - ϕmin, в результирующем сечении S = a*b магнитного проводящеuо замкнутого контура;[f] - частота Гц, количество периодов τ за 1 секунду: f = 1/ τ, где τ = π или [2τ = 2π];так же, частота может быть выведена из формулы угловой скорости: ω = 2πf[1/√2] - среднеквадратичный коэффициент (0,70710678118654752440084436210485).
Немає коментарів:
Дописати коментар