У цьому матеріалі розглянемо основи електротехніки з точки зору логіки. Для тих, хто не розуміє, звідки в розетці електрика, але й питати начебто якось уже й непристойно.
1. Що таке електричний струм.
Спочатку коротко традиційне поняття від академічної освіти. "Електричний струм - це рух заряджених частинок. Із заряджених частинок у нас є електрони і трошки іони. Іони - це атоми, які втратили або придбали один чи кілька електронів і тому втратили електричну нейтральність, придбали електричний заряд. Так-то атом електрично нейтральний - заряд позитивно зарядженого ядра компенсується зарядом електронної оболонки. Іони зазвичай є переносником заряду в електролітах, у металевих проводах носіями є електрони. Метали добре проводять струм, тому що деякі електрони можуть перескакувати від одного атома до іншого. У непровідних матеріалах електрони прив'язані до свого атома і переміщатися не можуть." (Нагадаю, це тлумачення академичної фізики на пальцях! Детальніше шукати "електронна теорія провідності").
Спробуємо розглядати струм у металевих провідниках, який створюється за версією академічної фізики - "електронами". Можна провести аналогію між електронами в провіднику і рідиною у водопровідній трубі. (На початковому етапі електрику так і вважали особливою рідиною.) Як через стінки труби вода не виливається, так і електрони не можуть покинути провідник, бо позитивно заряджені ядра атомів притягнуть їх назад. Електрони можуть переміщатися тільки всередині провідника. Саме така версія сьогодні домінує в освіті. Моя версія кардинально відрізняється, з нею можете ознайомитися в матеріалі "ЕРС і струм", в якому я розглянув саму суть контурного електромагнітного явища, як електричний ланцюг і що там відбувається. У цьому матеріалі розглянемо поняття, яке можна обізвати ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРИКИ.
"Створення електричного струму".
Просто так струм у провіднику не виникне. Це все одно, що залити воду в шматок труби і заварити з обох кінців. Вода нікуди не потече. У шматку провідника електрони теж не можуть рухатися в одному напрямку. Якщо електрони чомусь зрушать праворуч, то ліворуч виникне не скомпенсований позитивний заряд, який потягне їх назад. Тому електрони можуть тільки стрибати від одного атома до іншого і назад. Але якщо трубу згорнути в кільце, то вода вже може текти вздовж труби, якщо якимось чином змусити її рухатися. Так само і кінці провідника можна з'єднати один з одним, і тоді електрони зможуть переміщатися вздовж провідника, якщо їх змусити. Якщо кінці провідника з'єднані один з одним, то виходить замкнутий ланцюг. Постійний струм може йти тільки в замкнутому ланцюзі. Якщо ланцюг розімкнутий, то струм не йде. Щоб змусити воду текти по трубі використовується насос. В електричному ланцюзі роль насоса виконає батарейка. Батарейка жене "електрони" провідником і тим самим створює електричний струм. По-науковому батарейка і електромеханічний альтернатор називаються генераторами. Так в електротехніці називають "насос для створення" електричного струму. Бувають два типи генераторів - генератор напруги і генератор струму. Це фундаментальна річ насправді, зверніть увагу! Академичне пояснення: [1.1. Основні поняття електротехніки ]
Джерело напруги або генератор напруги — елемент електричного кола, який забезпечує на своїх клемах певне значення напруги, яке не залежить від струму в колі. Іншим терміном, який застосовується в електриці, є джерело струму, що забезпечує певне значення сили струму в колі.
Джерело́ стру́му або генератор струму — елемент електричного кола, який забезпечує в ньому протікання певного електричного струму. Інший термін — джерело напруги використовується для позначення елементу, який задає певне значення напруги. Якщо електричне коло не замкнене, то струм не буде проходити до електроспоживача. Ідеальне джерело струму створює в електричному колі струм, який не залежить від навантаження і будь-яких зовнішніх умов. Такий елемент є абстракцією. Електрорушійна сила та внутрішній опір в такому ідеальному джерелі струму повинні бути нескінченними і пропорційними одне одному. Напруга на клемах ідеального джерела струму повністю визначається навантаженням: U=IR, де U — напруга, I — сила струму, R — електричний опір навантаження. Реальні джерела струму характеризуються скінченними значеннями електрорушійної сили і внутрішнього опору.
а) б) в)
Умовні позначення на електричних схемах: а – джерело ЕРС, Е із внутрішнім опором R0, б – джерело струму J із внутрішньою провідністю G0, в – резистор з опором R
Ідеальне джерело струму (wikipedia.org) - у теорії електричних кіл - є активним елементом із двома затискачами (двополюсник), струм якого не залежить від напруги на його затискачах, це так зване ідеальне джерело струму. За іншим визначенням, ідеальне джерело струму - елемент, який дає в зовнішній ланцюг струм, сила якого не залежить від опору навантаження. Електрорушійна сила і внутрішній опір ідеального джерела струму дорівнюють нескінченності. Ідеальне джерело струму - це джерело нескінченної потужності. У побуті джерелами струму іноді називають різні джерела електричної енергії, хоча за своїми параметрами вони, як правило, ближчі до ідеального джерела напруги, наприклад, гальванічний елемент або електричний акумулятор.
Джерело ЕРС (ідеальне джерело напруги) - двополюсник, напруга на затискачах якого не залежить від струму, що протікає через джерело, і дорівнює його ЕРС. ЕРС джерела може бути задана або постійною, або як функція часу, або як функція від зовнішнього керуючого впливу. У найпростішому випадку ЕРС визначена як константа, яку зазвичай позначають буквою ε (Е). Внутрішній опір джерела ЕРС дорівнює нулю. Напруга на виводах ідеального джерела напруги не залежить від навантаження U=E=const. Струм визначається тільки опором зовнішнього кола I=U/R. Модель ідеального джерела напруги використовується для представлення реальних електронних компонентів у вигляді еквівалентних схем. Власне, ідеальне джерело напруги (джерело ЕРС) є фізичною абстракцією, оскільки під час наближення опору навантаження до нуля R = 0 струм, що віддається, і електрична потужність необмежено зростають, що суперечить фізичній природі джерела.
Якщо вдуматися, це парадокс термінології: Генератор напруги - це ідеальне джерело струму, а Генератор струму - це ідеальне джерело напруги.
З прочитаних визначень інтуїтивно зрозуміло випливає питання, як працює основний закон електротехніки - Закон Ома ! Виникає питання в чому відмінність СТРУМУ і НАПРУГИ. Те, що електронна версія їхньої кількості та руху в провіднику не витримує жодної критики, реальним фахівцям зрозуміло давно, відповіді не було і немає в ортодоксальній академічній фізиці, а електронна версія сильно обросла суміжними казками і перебуває в глибокому глухому куті. Основна помилка це фізичне переміщення зарядженої частинки. Те що електричне поле - це кількість частинок - абсурд. Ще раз рекомендую ознайомиться з моєю статтею "ЕРС і СТРУМ", в якій, якраз, розкриваю що таке СИЛА СТРУМУ.
За законом Ома: сила струму I на ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі U, прикладеній до цієї ділянки ланцюга, і обернено пропорційна її опору R:
I=U/R.
Навіть із цього пояснення СИЛА СТРУМУ - це дія, вектор якоїсь сили, результуюча, кількісна силова компонента, руху електричного поля (електричних зарядів), які відносяться до напруги U. Кількість зарядів вимірюється в кулонах. Кулон (одиниця виміру, позначення: Кл, C) - це одиниця виміру електричного заряду (кількості електрики) в Міжнародній системі одиниць (СІ). Кулон дорівнює кількості електрики, що проходить через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А за час 1 с: 1C = 1A * 1s (1С = 1As). Одиниця названа на честь французького фізика та інженера Шарля Кулона. Головне на що потрібно звернути увагу: кількість електрики (одиниць вимірювання електричного поля) за сили струму, яка рухається через відрізок провідника з відповідним перерізом. Електричні заряди або статичні поля певного знака мають властивості притягуватися і відштовхуватися. Достатньо звернутися до Закону Кулона (закону зворотних квадратів Кулона) - експериментального фізичного закону, який є одним з основних законів електростатики, що описує величину сили, що діє між двома електрично зарядженими точковими частками у стані спокою у вакуумі. Цю електричну силу умовно називають електростатичною або кулонівською силою. Хоча закон був відомий і раніше, уперше його перевірив і опублікував у 1785 році французький фізик Шарль Кулон, на ім'я якого його й було названо. Закон Кулона послужив початком розвитку теорії електромагнетизму, оскільки він давав змогу осмислено обговорювати кількість електричного заряду в об'єкті вивчення. У сучасному формулюванні закон Кулона свідчить: Сила взаємодії F, двох точкових зарядів у вакуумі, спрямована вздовж прямої, що з'єднує ці заряди, пропорційна їхнім величинам q1 і q2 і обернено пропорційна квадрату відстані між ними r12. Вона є силою тяжіння, якщо знаки зарядів різні, і силою відштовхування, якщо ці знаки однакові. Якщо є два різні електричні потенціали електричного поля, то між ними виникає сила тяжіння. Різниця потенціалів електричного поля, рухаючись через провідник або точніше електропровідний контур, формують електрорушійну силу Е, яка під час переміщення від більшого полюса, електричного потенціалу, до меншого, формує СИЛУ СТРУМУ. Причиною ЕРС завжди була, є і буде різниця електричних потенціалів U, E. Рух електричного поля, точніше, зміна електричної напруженості на ділянці електричного контуру, між точками різниці електричних потенціалів електричного поля Е, формує інший вид прояву силового поля - магнітне поле навколо провідника.
Виникає справедливе запитання, що не влаштовує? Адже все гранично ясно! Мене не влаштовує вектора ЕРС, Напруги і Сили Струму тощо, немає логічного пояснення деяких явищ. Думаєте, навіщо все ускладнювати, ця наука формувалася століттями. Так, але залишилися неточності та відверті помилки. Наприклад швидкісний рух електронів та інших заряджених частинок дротами. Що таке ЕРС, напруга, поляризація, сила струму, опір струму і багато іншого. Ми не будемо в усе це заглиблюватися, розберемо базові принципи.
ЕРС і Напруга, це одне й те саме явище, чи різні? З курсу фізики вивчення електрики починається з позиції "статична електрика". Заглянемо в Державний стандарт України (СТАТИЧНА ЕЛЕКТРИКА [Терміни та визначення основних понять ДСТУ 7302:2013]) Розглянемо деякі з понять, які стантартизуються.
4.1 Статична електрика: Сукупність явищ, пов’язаних з виникненням, збереженням і релаксацією (4.4) вільного електричного заряду на поверхні чи в об’ємі діелектричних і напівпровідникових речовин, матеріалів, виробів чи на ізольованих, зокрема диспергованих у діелектричному середовищі провідниках. 4.2 Електризація: Розділення в просторі зарядів протилежного знака; 4.4 Релаксація; спадання заряду: Зменшення електричного заряду чи потенціалу твердих, рідких чи газоподібних матеріалів унаслідок міграції заряду.4.6 Електропровідність: Здатність речовини проводити електричний струм. (Примітка. Одиниця вимірювання — сіменс (См)) 4.7 Масова густина електричного заряду: Кількість заряду, який міститься в одиниці маси матеріалу. (Примітка. Одиниця вимірювання — кулон на кілограм (Кл/кг)) 4.8 Поверхнева густина електричного заряду: Кількість заряду на одиницю площі поверхні твердого тіла чи рідкої речовини. (Примітка. Одиниця вимірювання — кулон на квадратний метр (Кл/м2)) 4.9 Об’ємна густина електричного заряду: Кількість заряду на одиницю об’єму твердої, рідкої чи газоподібної речовини. (Прим ітка. Одиниця вимірювання — кулон на кубічний метр (Кл/м3)) 4.10 Поверхневий електричний заряд: Електричний заряд, розподілений по поверхні. А.6 Електростатична індукція: Явище появи електричних зарядів на певних частинах провідного тіла під впливом електростатичного поля (ДСТУ 2843)*
Як бачимо, державний стандарт (який застосовується для систем захисту від розрядів статичної електрики, зокрема й атмосферної), використовує кількісну міру електрики та визначає її вільний електричний заряд, не вдаючись у її суть. Вимірює його в Кулонах на об'єм/вагу/площу. Раніше ми вже з'ясували, що Кулон - це одиниця виміру кількості електричного заряду при проходженні через переріз провідника, при цьому 1 Кл = 1А*1сек. Але статичне електричне поле, тому й статичне, що воно нікуди не рухається. Тобто це потенційне значення кількості електричного поля. Є ще один оператор, яким користуються для вимірювання електричного поля.
Вольт (В, V) — одиниця вимірювання електричної напруги, електрорушійної сили та різниці потенціалів в системі SI. Один вольт дорівнює електричній напрузі, яка виникає в електричному колі з постійним струмом силою один ампер при потужності один ват. Також один вольт дорівнює потенціалу точки електричного поля, в якої електричний заряд в один кулон має потенціальну енергію один джоуль [В = Вт·А−1 = м²·кг·с−3·А−1 = Дж·Кл−1].
У 1800 році в результаті професійних розбіжностей щодо гальванічного ефекту, яки відстоював Луїджі Гальвані, Алессандро Вольта розробив попередника електричної батареї так званий вольтовий стовп, як джерело постійного електричного струму. Вольта визначив, що найефективнішою парою різнорідних металів для виробництва електрики є цинк і срібло. У 1861 році Латімер Кларк і Чарльз Брайт використали назву «вольт» для одиниці опору.
Одиниця вимірювання «вольт» була вперше уведена в 1861 році на 1-му Міжнародному конгресі електриків (тепер — Міжнародна електротехнічна комісія) як практична одиниця ЕРС, що дорівнює 108 одиницям СГС системи одиниць. Її введення було пов'язане з поточними потребами інженерної фізики. У 1873 році Британська асоціація сприяння розвитку науки визначила вольт, ом і фарад. З 1893 до 1948 у використанні був міжнародний вольт, що дорівнює напрузі або ЕРС, які у провіднику з опором в один ом (міжнародний) виробляє струм в один ампер (міжнародний). Точна величина міжнародного вольта встановлювалась еталоном — групою Нормальних елементів Вестона. У Міжнародну систему одиниць (SI) вольт уведено рішенням XI-ї Генеральної конференції мір і ваг у 1960 році одночасно з прийняттям системи SI в цілому. До 1990 року 1 вольт визначався через одиницю енергії джоуль і одиницю заряду кулон.
Далі є ще один оператор для вимірювання електричних показників - Електрична напруга (U) на ділянці електричного кола (поля) — це скалярна фізична величина, яка чисельно дорівнює роботі, яку треба виконати для переміщення одиничного позитивного заряду з однієї точки кола (поля) в іншу точку. Символом величини зазвичай є латинська літера U. Напруга в системі SI вимірюється у вольтах (позначення одиниці: B, міжнародне: V). Напруга може бути визначена зі співвідношення: U=W/Q, де W — робота сторонніх і кулонівських сил з переміщення заряду, Q — величина електричного заряду. Для потенціального поля напруга відповідає різниці потенціалів між двома точками електричного поля: U = φ1-φ2.
Ще один оператор якій вимірюється у Вольтах: Електрорушійна сила — кількісна міра роботи сторонніх сил із переміщення заряду, характеристика джерела струму. Позначається здебільшого літерою E, інколи стилізується як рукописна ℰ, вимірюється в системі SI у вольтах. Зазвичай електрорушійна сила скорочується в текстах до е.р.с. (ЕРС). Електрорушійна сила ділянки кола дорівнює енергії, яку отримує одиничний заряд, пройшовши цю ділянку кола.
Для замкненого кола E = ∫Cf dl, де f — стороння сила.
Сила електричного струму (сила струму або просто струм) — кількісна характеристика електричного струму в провіднику, скалярна величина I= Δq/Δt, яка відповідає кількості заряду Δq, що проходить крізь переріз провідника за час Δt, розділеному на цей проміжок часу. За одиницю сили струму беруть таку силу струму, за якої відрізки паралельних провідників довжиною 1 м, що розташовані на відстані 1 м один від одного, взаємодіють із силою 2·10−7 Н. Силою струму називають ще величину, що визначає швидкість перенесення заряду частинками, які створюють струм, крізь поперечний переріз провідника. Струм — це упорядкований рух заряджених частинок. У системі SI сила струму вимірюється в амперах (позначення А). Відповідно, густина струму вимірюється в A/м². Якщо за кожен проміжок часу Δt заряд Δq однаковий і напрямок струму незмінний, то такий струм називають постійним. У разі, коли ці величини залежать від часу та напрямку, силу струму описують так: I = Δq/Δt = dq/dt = q' такий струм називають змінним.
Трохи втомились? Нам треба зібрати всі складови, ще залишился опір електричному струму або Електричний опір — скалярна фізична величина, що характеризує властивість провідника створювати протидію проходженню електричного струму. Позначається здебільшого латинською літерою R, одиниця опору в системі SI — Ом [Ω]. Електричний опір використовується у випадках лінійної залежності електричного струму в провіднику від прикладеної напруги, і є коефіцієнтом пропорційності між падінням напруги U й силою струму I [R=U/I]. Опір — це величина, яка характеризує спроможність елемента перетворювати електричну енергію на теплову.
В нас є всі складові які формують Зако́н О́ма — це твердження про пропорційність сили струму в провіднику прикладеній напрузі, справедливе для металів і напівпровідників за не надто великих прикладених напругах. Якщо для елемента електричного кола справедливий закон Ома, то цей елемент має лінійну вольт-амперну характеристику. Більш точно — закон Ома стверджує, що сила струму у провіднику між двома точками прямо пропорційна напрузі на цих двох точках. Вводячи константу пропорційності — опір, можна прийти до звичайного математичного рівняння, яке показує цю залежність.
На малюнку напрямок дії струму вказано від точки "+" до точки "-". Відповідно до теорії, що заряд переміщується від більшого потенціалу до меншого, нібито правильно. Я вам скажу, що фактичний напрямок дії струму зворотний від "-" до "+". Фахіфці пояснюють це потоком електронів (вільних від себе, напевно). Перевіряється цей факт дуже просто: виготовляється простий електромагніт із сердечником, підключається джерело постійного струму і компасом виконується замір магнітної напруженості на полюсах. До речі, ви в курсі, що магнітна стрілка має фактичну намагніченість Південну, а пофарбована в колір Північного полюса? Щоб правильно прочитати те, що показує стрілка компаса, потрібно знати його будову. Розібралися з одним, але лишається питання чому напрямок струму протилежний напряму вектора електричної напруженості, це що не електрика? В трактуванні поннятя Енергія, е розділ Електрична ене́ргія, або електроенергія — вид енергії, що існує у вигляді потенціальної енергії електричного й магнітного полів та енергії електричного струму. Три складових: 1) Робота електричного поля при переміщенні заряду; 2) Потужність електричного струму в колі; 3) Енергія електричного і магнітного полів. При цьому науковці стверджують: Для електричного і магнітного полів їх енергія пропорційна квадрату напруженості поля. Термін енергія електромагнітного поля є не цілком коректним. Обчислення повної енергії електричного поля навіть одного точкового заряду приводить до значення, рівного нескінченності, оскільки відповідний інтеграл розходиться. Нескінченна енергія поля точкового заряду, наприклад електрона, складає одну з теоретичних проблем класичної електродинаміки. Замість нього у фізиці зазвичай використовують поняття густини енергії електромагнітного поля у певній точці простору. Повна енергія поля дорівнює інтегралу густини енергії по всьому простору. Щоб розсунити все, по зрозумилим місцям, треба візначитись с цімі складовими. Работа електричного поля, це і є Електрорушійна сила [ЕРС]. Її вектор вказуе нам напрямок дії, від большого потенциалу до меньшего, на ділянці електричного кола. Як воно це єлектричне поле рухається?
На малюнку 3, скрін зі старого підручника з фізики, де вимірюють напруженість електричного поля вздовж провідника між різницею електричних потенціалів. Фотографія дроту під струмом змоченого магнітною рідиною і малюнок правила правої руки для провідника зі струмом. Так само пропоноване мною позначення дії електричного поля на провіднику з показником опору для струму.
Я вже згадував меркування, що Сила Струму - це магнітний вихровий потік, що індукується навколо провідника під час замикання його до джерела напруги, з різницею електричних потенціалів [Докдадніше]. Чи тече електричне поле поверхнею провідника, чи формується якась силова воронка, ми гадати не будемо, факт залишається фактом, через провідник відбувається зміна електричної напруженості різниці потенціалів. Умовою є те, що для протікання електричного струму потрібен замкнутий провідний контур із джерелом напруги.
Важливе тверження що відбувається з електричним полем: "Під час проходження струму безперервно відбувається зменшення зарядів, точніше нейтралізація позитивної та негативної електрики."
На 3 малюнку, в самому низу діограма взаємодій у провіднику, який під'єднано до джерела постійного струму з різницею електричних потенціалів (+U[A]; -U[B]). Вектор дії електрорушійної сили (Е) спрямований від більшого потенціалу (+U) до меншого (-U). Об'єм електричного поля пропорційно зменшується, це відображено у вигляді зеленого трикутника. Вектор сили струму (I) спрямований від меншого потенціалу (-U) до більшого (+U). Сила струму дорівнює одному показнику в будь-якій точці даного провідника. Сила струму жорстко пов'язана з показником магнітної індукції навколо провідника (Bi). Будь-яка робота, яка пов'язана електроерергією, це робота магнітного поля навколо провідника: інфрачервоне випромінювання (тепло, світло); створення магнітного поля в металевих сердечниках; іскра і плазма електричної дуги. Ми знаємо, що будь-яке магнітне поле - це рівнозначний диполь магнітних полюсів, отже, вихрове магнітне поле навколо провідника повинно дорівнювати за значенням на конусах провідника, що власне ми і спостерігаємо в електричному контурі. Розберемо, що відбувається в електричному контурі, до якого входить джерело напруги (батарея), навантаження (електрична лампочка) і з'єднувальні дроти.
На лівому малюнку відображено електричний ланцюг: із джерелом напруги, що формує різницю електричних потенціалів U: Анод (+); Катод (-); із навантаженням R, у вигляді електричної лампочки зі з'єднувальними проводами. Зазначено вектор прикладеної Електричної Напруги (U), і вектор дії Сили Струму (I). Вказав також момент утворення ЕРС (Е), між катодом і анодом. Вектор Е спрямований від Катода (-) до Анода (+). Те, що зображено ще розберемо нижче.
На правому малюнку відображено реальний стан розглянутого простого електричного контуру. Ми додали тільки опір шунта Rшунта, в розрив катода лампочки і катода батареї. Якщо ви візьмете вольтметр і виміряєте напругу на Аноді та Катоді батареї, у вас буде показник прикладеної (діючої) напруги (різниці електричних потенціалів). Знаючи опір лампочки R, і виміряну напругу в ланцюзі U, ми можемо розрахувати діючу Силу Струму I [I = U / R]. Все дуже навіть зрозуміло, на опорі лампочки відбувається падіння напруги в мірності діючої різниці електричних потенціалів. Ви в цьому впевнені? Тепер беремо та вимірюваємо напругу (різницю потенціалів) між анодом (+) батареї та з'єднанням дроту на лампочці (+), як ви думаєте, що покаже вольтметр? Зробіть це самі. Теж саме, проводимо вимірювання напруги на висновках шунта, підключеного до катода (-) батареї, і другого виведення лампочки (-). Вольтметр покаже деяку напругу з мікровольтів. Якщо ви цю напругу розділите на опір шунта, ви отримаєте значення Сили струму, яке буде рівним Силі струму, яке ми розрахували на лампочці і в коли. Це класична система роботи аналогового амперметра. Якщо ви розімкнете ланцюг між контактом лампочки (-) і шунтомм. Далі здійсните вимірювання напруги на плюсовому контакті лампочки і з'єднанням шунта підключеного до катода (-) батареї, вольтметр покаже приблизно ту ж напругу, яка була при замиканні ланцюга. Що сталося з падінням напруги? Падіння напруги (познчемо його так - Ui) розраховується: Ui = IR, так само як і напруга на ділянці згідно із Законом Ома: U = IR. Далі в нас є такий параметр як ЕРС (Е). Це теж саме, що і Прикладена Напруга (U)? Спробуємо розрахувати, щоб отримти Струм треба явіще нейтралізації різниці потенціаоів, яке ми можемо розрахувати: Ui = IR. Далі ми розрахуємо напругу, прикладену до навантаженння: U = IR. Скдадаемо отримані значення, та отримаємо значеня ЕРС: Е = Ui + U. Ще раз нагадую, фізика в цей момент у колі відноситься до сторонніх сил, якою є причина появи ЕРС. У гальванічному елементі відбувається електрохімічна реакція, що утримує рівень полярності за підтримки Наруги U у колі. Формула сили струму для замкнутого ланцюга має вигляд: I = E/ (R+r), де r – опір джерела напруги. Ми можемо запити цю формулу у вигляді I = (E - U) / (R + r), де ми отримаємо як раз пропорційне співвідношення падіння Напруги (Ui) до Сили струму (I). Якщо звернутися до рівнянь Максвелла, то формула електромагнітної індукції в нього записана наступним чином: [curl E = - dB/dt] де оператор curl це перекладається як закручувати, а B це вектор магнітної індукції. Припустимо, що це справедливо, також для перетворення ЕРС в Струм, якою є магнітна індукція навколо дроту в якій здійснюється це перетворення. На лівому малюнку (рис. 3) я позначив вектори цього перетворення. Чому так, тому що силові лінії магнітної індукції мають таку конструкцію, тільки в спіралі (дивися малюнок з фотографією провідника під струмом вище). Вочевидь - що у електричному контурі, у якому відбувається формування вихрового магнітного поля навколо провідника, відбувається явище електромагнітної індукції, лише у зворотному порядку, що ми можемо записати:
[curl E = - dBі /dt] або [curl Bі = curl - dE /dt]
Фактично ми розглянули електричний ланцюг із джерелом напруги – гальванічною батареєю. Гальванічна батарея - це пристрій, в якому здійснюється перетворення хімічної енергії на електричну енергію. Більш точно це поляризація електричних потенціалів на аноді та катоді пристрою під час проведення відповідної хімічної реакції. Дана реакція може бути незворотною (електричні батареї) та зворотними (акумуляторні батареї) різних можливостей та конструкцій. Основна дія, це відбувається постійна поляризація електродів під дією електрохімічної реакції при замиканні гальванічного елемента в замкнутий електричний ланцюг з навантаженням..
Є ще один електроприлад, який має електроди, Електричний Конденсатор (англ. capacitor; нім. Kondensator m) — система з двох чи більше електродів (обкладок), які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок. Така система має взаємну електричну ємність і здатна зберігати електричний заряд. Першим конденсатором була Лейденська банка, яку використовували для вивчення електрики та накопичування статичноъ електрики. Ми не розглядатимемо особливості та типу кондесаторів, нам потрібно розглянути його роботу як джерела коли кондесатор розряджається на лампочку. Конденсатор в електричному ланцюзі працює у двох позиціях: 1) приймає електричний заряд (працює як споживач); 2) віддає електричний заряд (працює як джерело). Припустимо в нашому розглянутому ланцюзі, до зарядженого кондесатора підключили лампочку. Розряджаючись, напруга падатиме і струм падатиме. Сила струму під час розряду буде максимальна тільки в найпершій точці розряду, водночас вольтметр покаже напругу, яка вже в кілька разів менша за напругу зарядженого кондесатора. Повний заряд кондесатора до розряду - це показник ЕРС (Е), вольтметр покаже реальну напругу на затискачах конденсатора (U), знаючи опір навантаження (R) і внутрішній опір кондесатора (r) ми можемо розрахувати силу струму (I): I = (E-U) / (R+r). Особливість у тому, що різниця електричних потенціалів у вигляді ЕРС не відновлюється за рахунок роботи електрохімічної реакції. Але в будь-якому випадку сила струму буде пропорційна падінню напруги: E-U = Ui = I(R+r).
Як ми бачимо, силу струму в замкнутому електричному контурі ми можемо отримати тільки в момент розряду електричних потенціалів, при цьому через перетворення електричного поля на магнітне. Розглянемо ще один генератор - індукційний - електромагнітний генератор. З моєю публікацією - дослідження відкриття, такого явища як електромагнітний генератор, можете ознайомитися в матеріалі "Винахід електромагнітного генератора". Відомо що є два типи електромагнітних генераторів, це де рамка рухаєтся у постійному магнітному полі та коли вікористовуєтся осередя на которому намотана інукційна котушка, а магнітний роток змінює напрямок магнітного потоку в осередді. В цьому випадку магнітні силови лінії не перетинают дроти котушки.
На малюнку позначено два типи генератора, з двома принципами індукування ЕРС на провіднику. Перший під час переміщення провідника в магнітному полі (назвемо його контактним: E = Blv), другий - під час зміни магнітного поля в замкненому магнітному потоці, коли провідник перебуває у фокусі цього потоку (назвемо його безконтактним: E = 4.44NΦf). Повернемося до закону Ома для повного ланцюга. Формула Сили струму в замкнутому ланцюзі має вигляд: I = E /(R+r) де: E - ЕРС у вольтах (в режимі роботи генератора без підключенного навантаженя) . Формула струму для ділянки ланцюга має вигляд: I = U/R де: U - напруга у вольтах, на клемах генератора (в режимі з підключенним навантаженням). Сила струму на будь-якій ділянці ланцюга буде однакова тоді ми маємо отримати умову, яку ми розглядали раніше з розрядом конденсатора Струм це перетворенне ЕРС яке вазначается падінням ЕРС: E /(R+r) = I = U/R точніше (E-U =Ui) /(R+r) = I = U/R. Це принцип роботи джерела електрики, якій має назву Генератор Струму, до цій категорії відносятся генератор постійного струпу, генератор змінного струму, дінамо на іньши.
Електромагнітний генератор і Гальванічний елемент в електротехніці є джерелами напруги і струму. Різниця в принципі дії. Гальванічний елемент виробляє частину ЕРС, якої бракує для підтримки електричної напруженості на клемах батареї, саме з цієї причини його називають Генератор Напруги. Електромагнітний генератор виробляє спочатку повну ЕРС, яка надалі перетворюється на Силу Струму шляхом падіння напруги. Саме з цієї причини його називають Генератор Струму. В обох приладах ЕРС перетворюэться на СТРУМ. Це основні види
Також е ще джерела електрики які по дії формування ЕРС можливо віднести до Генератору струму та Генератору напруги:
Термоелектрогенератор (термоелемент) — технічний пристрій прямого перетворення теплової енергії на електричну через використання в його конструкції термоелементів. Перший в світі такий прилад створила в 1947 році американська винахідниця угорського походження Марія Телкеш.
Со́нячна пане́ль — збірка фотоелектричних комірок, у паралельних та послідовних комбіняціях для досягнення заданої напруги та сили струму. Збірка може бути виготовлена як для умов зовнішнього використання, так і для умов внутрішнього використання. Зовнішні збірки мають скло, алюмінієву рамку, пластик, рідше — епоксидну смола. Використання скла знижує ефективність через поглинання частини УФ-променів, але є компромісним вирішенням проблеми деградації пластикового покриття від погодних умов. Портативні збірки можуть використовуватись із пластику інколи із використанням лише епоксидної смоли, часто можуть бути частково гнучкі.*
До кінця 20 століття основним джерелом електрики був і залишається електромагнітний генератор, який встановлено на всіх типах електростанцій. У подальший час велику частку в електрогенерації почали займати сонячні панелі. Для всіх приладів, що не мають підключення до мережі постачання електрики, джерелом залишаються гальванічні елементи (батарейки та АКБ).
Продовження буде. В якому ми розглянемо саму можливість розрахунку мотор-генератора на явіще саморуху.
З повагою, Сергій Ракарський
Київ, УКРАЇНА
СЛАВА УКРАЇНІ! * ГЕРОЯМ СЛАВА!
