Действие электрического тока

Наличие тока в электроцепи всегда проявляется каким-либо действием. Например, работа при конкретной нагрузке или какое-то сопутствующее явление. Следовательно, именно действие электротока говорит о его присутствии как таковом в той или иной электроцепи. То есть, если работает нагрузка, то ток имеет место быть. 

Известно, что электрический ток вызывает различного рода действия. Например, к таковым относятся тепловые, химические, магнитные, механические или световые. При этом различные действия электрического тока способны проявлять себя одновременно. Более подробно о всех проявлениях мы расскажем Вам в данном материале.

Тепловое явление

Известно, что температура проводника повышается при прохождении через него тока. В качестве таких проводников выступают различные металлы или их расплавы, полуметаллы или полупроводники, а также электролиты и плазма. Например, при пропускании через проволоку из нихрома электрического тока происходит ее сильное нагревание. Данное явление используют в приборах нагрева, а именно: в электрических чайниках, кипятильниках, обогревателях и т.п. Электродуговая сварка отличается самой большой температурой, а именно нагрев электродуги может достигать до 7 000 градусов по Цельсию. При такой температуре достигается легкое расплавление металла. 

Количество выделяемой теплоты напрямую зависит от того, какое напряжение было приложено к данному участку, а также от электротока и времени его прохождения по цепи. 

Для расчета объемов выделяемой теплоты используется или напряжение, или сила тока. При этом необходимо знание показателя сопротивления в электроцепи, поскольку именно оно провоцирует нагрев из-за ограничения тока. Также количество тепла можно определить при помощи тока и напряжения.

Химическое явление

Химическое действие электротока заключается в электролизе ионов в электролите. Анод при электролизе присоединяет к себе анионы, катод – катионы. 

Иными словами, во время электролиза на электродах источника тока происходит выделение определенных веществ.

Приведем пример: в кислотный, щелочной или же солевой раствор опускаются два электрода. После пропускается по электроцепи ток, что провоцирует создание положительного заряда на одном из электродов, на другом – отрицательного. Ионы, которые находятся в растворе, откладываются на электроде с иным зарядом. 

Химическое действие электротока применяется в промышленности. Так, используя данное явление, осуществляют разложение воды на кислород и водород. Кроме того, при помощи электролиза получают металлы в их чистом виде, а также осуществляют гальваническое покрытие поверхности. 

Магнитное явление

Электрический ток в проводнике любого агрегатного состояния создает магнитное поле. Иными словами, проводник при электрическом токе наделяется магнитными свойствами.

Таким образом, если к проводнику, в котором протекает электроток, приблизить магнитную стрелку компаса, то та начнет поворачиваться и займет к проводнику перпендикулярное положение. Если же на сердечник из железа намотать данный проводник и пропустить сквозь него постоянный ток, то данный сердечник примет свойства электромагнита. 

Природа магнитного поля всегда заключается в наличии электрического тока. Объясним: движущиеся заряды (заряженные частицы) образуют магнитное поле. При этом токи противоположного направления отталкиваются, а одинакового направления – притягиваются. Данное взаимодействие обосновано магнитным и механическим взаимодействием магнитных полей электротоков. Выходит, что магнитное взаимодействие токов первостепенно. 

Магнитное действие применяется в трансформаторах и электромагнитах. 

Световое явление

Самый простой пример светового действия – лампа накаливания. В данном источнике света спираль достигает нужной температурной величины посредством проходящего сквозь нее тока до состояния белого каления. Тем самым и излучается свет. В традиционной лампочке накаливания всего лишь пять процентов всей электроэнергии расходуется на свет, остальная же львиная доля преобразуется в тепло.  

Более современные аналоги, например, люминесцентные лампы наиболее эффективно преобразуют электроэнергию в свет. То есть, около двадцати процентов всей энергии лежит в основе света. Люминофор принимает УФ-излучение, идущее от разряда, что возникает в ртутных парах или в инертных газах. 

Самая эффективная реализация светового действия тока происходит в светодиодных источниках света. Электрический ток, проходя через pn-переход, провоцирует рекомбинацию носителей заряда с излучением фотонов. Лучшими led излучателями света являются прямозонные полупроводники. Изменяя состав данных полупроводников, возможно создание светодиодов для различных световых волн (разной длины и диапазона). Коэффициент полезного действия светодиода достигает 50 процентов. 

Механическое явление

Напомним, что вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Все магнитные действия преобразуются в движение. Примером служат электрические двигатели, магнитные подъемные установки, реле и др.

В 1820 году Андре Мари Ампер вывел известный всем «Закон Ампера», который как раз описывает механическое действие одного электротока на другой. 

Данный закон гласит, что параллельные проводники с электрическим током одинакового направления испытывают притяжение друг другу, а противоположного направления, наоборот, отталкивание. 

Также закон ампера определяет величину силы, с которой магнитное поле воздействует на небольшой отрезок проводника с электротоком. Именно данная сила лежит в основе функционирования электрического двигателя.

Статьи по теме: 

• Что такое проводник и диэлектрик?
• Электрический ток и его скорость
• Что такое электролитическое заземление?

Применение электромагнитных явлений на железной дороге

Тип урока: урок комплексного применения знаний

Цели урока:

Образовательные:

• Обобщение и систематизация знаний
• Выработка умений самостоятельно применять знания в комплексе

Развивающие:

• Совершенствование способностей учащихся сравнивать, обобщать, делать выводы, развитие коммуникативных способностей, развитие познавательного интереса

Воспитательные:

• Воспитание чувства патриотизма, уважения к профессии, любви к труду

Методическое обеспечение урока:

1. Рабочие листы.
2. Компьютерная презентация Power Point.
3. Ролик «Первый электровоз».
4. Приборы для демонстраций.
5. Видеокассета с роликом «Вращение рамки с током в магнитном поле».

Слово учителя: Одним из важнейших показателей производственных сил страны является развитие ее транспорта. В этом отношении роль железнодорожного транспорта переоценить достаточно сложно. Ежедневно с помощью железной дороги перемещаются грузы, пассажиры в различные уголки нашей страны. И эту работу невозможно осуществить без квалифицированных специалистов, которые конструируют, вводят в эксплуатацию и обслуживают железную дорогу. Сегодня эксперты у нас в гостях и готовы ответить на любые наши вопросы.

Представление экспертов.

Учитель: Итак, ваши вопросы!

Ученик 1: Какие типы локомотивов эксплуатируются сейчас на железной дороге?

Железнодорожник 1: Существует 3 основных типа: электровоз, электропоезд и тепловоз.

(слайд 1)

Ученик 1: В чем их принципиальные отличия?

Железнодорожник 1: Разница очевидна: электровозы и электропоезда приводятся в движение электродвигателем, тепловоз — ДВС (дизель). Именно эксплуатация электровозов и требует электрификации железной дороги.

Ученик 2: Хотелось бы подробнее узнать об электровозе. Какие типы электровозов существуют? В чем их отличия?

Железнодорожник 2: Есть разные типы электровозов. Например, чехословатские электровозы ЧС2Т, ЧС200, ЧС7. Электропоезда ЭР2, ЭР2Т. Электровозы ЭДМ4, ВЛ10,ВЛ15. Все они отличаются своими конструктивными особенностями, электрическим оборудованием, схемами.

(слайд 2)

Ученик 3: Вы сказали, что электровоз приводится в движение электродвигателем. Что это за устройство?

Инженер 1: Электродвигатель — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Предвосхищая ваш вопрос, скажу, что различают двигатели постоянного и переменного тока, синхронные и асинхронные, двигатели трехфазного тока.

(Слайды 3-4)

Ученик 3: А каким током питаются электродвигатели на электропоездах?

Железнодорожник 2: Обычно используют постоянный или однофазный переменный ток. Использование трёхфазного тока требует подвески как минимум двух контактных проводов, поэтому эта система не прижилась. При использовании постоянного тока напряжение в сети делают довольно низким, чтобы включать электродвигатели напрямую. При использовании переменного тока выбирают гораздо более высокое напряжение, поскольку на электровозе напряжение можно легко понизить с помощью трансформатора.

Система питания электровоза

Слайд 5

Ученик 4: Не могли бы вы подробнее рассказать о принципе действия электродвигателя? На каком явлении он основан?

Слайд 6

Инженер 2: Принцип действия электродвигателя основан на вращении рамки с током в магнитном поле (демонстрация 1)

Ученик 5: А можно узнать об изобретении электродвигателя?

Историк 1: Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию электромагнитным полем был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821 и состоял из свободно висящего провода, окунающегося в пул ртути. Постоянный магнит был установлен в середине пула ртути. Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывал циклическое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируется в школьных классах физики, вместо токсичной ртути используют рассол. Это — самый простой вид из класса электрических двигателей. Последующим усовершенствованием является колеса Барлоу. Оно было демонстрационным устройством, непригодным в практических применениях из-за ограниченной мощности. В 1834 г. русский ученый Б.С. Якоби создал первый в мире практически пригодный электродвигатель с вращающимся якорем и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». Б.С. Якоби писал, что его двигатель несложен и «дает непосредственно круговое движение, которого гораздо легче преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное». Вращательное движение якоря в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов. Неподвижная группа U-образных электромагнитов питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов была подключена к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось раз за один оборот диска. Полярность электромагнитов при этом соответственно изменялась, а каждый из подвижных электромагнитов попеременного притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом: вал двигателя начинал вращаться. Мощность такого двигателя составляла всего 15 Вт. Впоследствии Якоби: довел мощность электродвигателя до 550 Вт. Этот двигатель был установлен сначала на лодке, а позже на железнодорожной платформе. 13 сентября 1838 г. лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения со скоростью около 3 км/ч. Лодка была снабжена колесами с лопастями. Колеса приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 гальванических элементов. Так впервые электрический двигатель появился на судне.

Слайд 7

Ученик 6. Вы сказали ,что электровозе напряжение можно легко понизить с помощью трансформатора. Что это такое, и каким образом он трансформирует энергию?

Инженер 3. Трансформатор (transformo— преобразовывать) — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством ЭМИ одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока 30 ноября 1876, дата получения патента Николаем Яблочковым считается датой рождения первого трансформатора (демонстрация 2). Объясните принцип его действия.

Слайд 8

Ученик 6: Явление ЭМИ было открыто в 1831 г М Фарадеем. Значение этого открытия трудно переоценить. Оно поражает своей простотой: достаточно иметь катушку и магнит — и можно получить ток! Я думаю, вы мне поможете продемонстрировать это явление. Что является обязательным условием возникновения тока? (демонстрация 3). Задачей инженеров-конструкторов было получение тока в промышленных масштабах, и они ее успешно решили.

Ученик 7: Преимущества использования электрического тока неоспоримы. Но известно, что далеко не все участки железной дороги электрифицированы. Как обстоят дела в этой области?

Историк 2: Позвольте сказать несколько слов о начале этого грандиозного процесса. Первые проекты электрификации железных дорог были разработаны в самом начале XX века выдающимся инженером, потом академиком, Генрихом Осиповичем Графтио. Он же с 1907 года начал читать курс лекций «Электрические железные дороги» студентам Петербургского электротехнического института. В 1913 году началось строительство линии, электрифицированной на постоянном токе 1200 вольт между Петербургом и Петергофом. Были сооружены две электростанции в Екатерингофе и Ораниенбауме. Однако работы были прекращены в связи с Первой Мировой войной. Началом эксплуатации электрифицированных магистральных железных дорог России считается 29 августа 1929 года, когда от перрона Ярославского вокзала по маршруту Москва – Мытищи отправился в путь первый российский электропоезд.

Развитие электрификации

год	событие
1941-1955	Электрификация 1865 км пути
1956	постановление правительства «О генеральном плане электрификации железных дорог
1958-1965	На электрическую тягу переведены крупнейшие направления: Москва-Иркутск (свыше 5 тыс. км), Москва-Горький-Свердловск (около 2 тыс. км)
1965	электрифицировано 2268 км
1991	Электрифицировано 50 т км

Слайд 9

Ученик 8: Какие преимущества дает электрификация?

Инженер 3: Перевод на электрическую тягу железнодорожных линий позволил увеличить весовые нормы поездов, участковые скорости, среднесуточные пробеги локомотивов. Повысилась устойчивость работы, особенно в районах с суровыми климатическими условиями. К числу важным преимуществ электротяги является экологический фактор. Внедрение на сети железных дорог электрической тяги способствовало ускорению перевозочного процесса, качественно изменило эксплуатационную работу железных дорог.

Учитель: Поблагодарим наших гостей за исчерпывающие ответы. В качестве отработки полученной информации вам предлагается выполнить небольшую работу. Ответе, пожалуйста, на следующие вопросы.

1. Какие типы локомотивов эксплуатируются на железной дороге?
2. В чем состоит преимущество применения электротяги?
3. Какое физическое явление лежит в основе работы электродвигателя и трансформатора?
4. Дайте определение электродвигателя.
5. Дайте определение трансформатора.
6. Какой преимущественно ток используется для питания электродвигателей железной дороги?
7. Назовите фамилию ученого, создавшего первый универсальный двигатель
8. Назовите фамилию ученого, создавшего первый трансформатор.

Слайд 10

Учитель: Спасибо за ответы. А теперь посмотрим на предмет нашей беседы. Демонстрация ролика.

Учитель: Благодарю всех за внимание!

Различия между электродвигателями и генераторами

Электричество, когда-то являвшееся экспериментальной новинкой, теперь совершенно неотъемлемая часть современной жизни. Электричество обеспечивает освещение, климат-контроль, развлечения и многое другое. Чтобы обеспечить электроэнергию, энергия преобразуется из других форм в электричество, приводя в действие системы и устройства, которые люди склонны воспринимать как должное.

Преобразование энергии из одной формы в другую является ключом к пониманию различий между электродвигателями и генераторами. Электродвигатель преобразует электричество в механическую энергию, обеспечивая источник энергии для машин. Генератор делает обратное, преобразуя механическую энергию в электричество.

Несмотря на это существенное различие в функциях, электродвигатели и электрические генераторы тесно связаны лежащими в их основе механизмами и фундаментальной структурой. Оба основаны на важном законе физики: законе электромагнитной индукции Фарадея.

Закон электромагнитной индукции Фарадея: электричество и магнетизм

Сегодня хорошо известно, что электричество и магнетизм являются двумя проявлениями одной фундаментальной силы, называемой электромагнетизмом. Центральное место во вселенной, какой мы ее знаем, считается, что электромагнитная сила существовала в ее нынешней форме где-то между 10 ¹² и 10 ⁶ секунд после Большого Взрыва.

В 1831 году физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, выявив тесную связь между наблюдаемыми явлениями магнетизма и электричества. Интересно, что в 1832 году ее независимо обнаружил другой исследователь, Джозеф Генри. Фарадей был первым, кто опубликовал свои открытия, и по сей день ему приписывают это открытие. Позже Джеймс Клерк Максвелл открыл способ математически сформулировать открытия Фарадея, что привело к разработке уравнения Максвелла-Фарадея.

Закон индукции Фарадея — это закон физики, разработанный для точного предсказания и измерения того, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС). ЭМП преобразуют другие формы энергии, такие как механическая энергия, в электрическую энергию. Именно этот закон физики позволяет нам создавать как электрические двигатели, так и электрические генераторы. Хотя эти два типа механизмов выполняют противоположные функции, они оба основаны на одних и тех же основных законах физики.

Электрические генераторы: Преобразование механической энергии в электрическую

Согласно закону индукции Фарадея, всякий раз, когда происходит изменение магнитного поля в проводнике, таком как проволочная катушка, электроны вынуждены двигаться перпендикулярно этому магнитному полю. Это создает электродвижущую силу, которая создает поток электронов в одном направлении. Это явление можно использовать для производства электроэнергии в электрогенераторе.

Чтобы создать этот магнитный поток, магниты и проводник перемещаются друг относительно друга. Провода наматываются в тугие катушки, увеличивая количество проводов и результирующую электродвижущую силу. Непрерывное вращение катушки или магнита при сохранении другого на месте дает постоянное изменение потока. Вращающийся компонент называется «ротором», а неподвижный компонент называется «статором».

Электрические генераторы делятся на две большие категории: «динамо-машины», которые генерируют постоянный ток, и «альтернаторы», которые генерируют переменный ток.

Динамо-машина была первой формой электрического генератора, которая использовалась в промышленности. Во время промышленной революции его изобрели независимо друг от друга несколько человек. Электрическая динамо-машина использует вращающиеся катушки проволоки и магнитные поля для преобразования механической энергии в постоянный ток (DC). Исторически динамо-машины использовались для выработки электроэнергии, часто используя пар в качестве источника для выработки необходимой механической энергии.

Сегодня электрическая динамо-машина практически не используется, за исключением нескольких приложений с низким энергопотреблением. Генераторы гораздо более распространены для производства электроэнергии. Этот тип генератора преобразует механическую энергию в переменный ток. Вращающийся магнит служит ротором, вращаясь внутри набора проводящих катушек на железном сердечнике, который служит статором. Когда магнитное поле вращается, оно генерирует переменное напряжение в статоре. Магнитное поле может создаваться либо постоянными магнитами, либо электромагнитом с катушкой возбуждения.

Автомобильный генератор переменного тока, а также центральные электростанции, обеспечивающие электричеством сеть, являются электрическими генераторами.

Электродвигатели: от электрической энергии к механической энергии

Электродвигатель действует противоположно электрическому генератору. Вместо того, чтобы превращать механическую энергию в электричество, электродвигатель берет электричество и преобразует его в механическую энергию. Электродвигатели можно найти в самых разных областях применения, от промышленного производственного оборудования до бытовых приборов. Ротор вращает вал для создания механической энергии. Статор состоит из обмоток катушки или постоянных магнитов с сердечником из тонких листов, уложенных друг на друга. Известные как ламинирование, эти слои создают меньшие потери энергии, чем твердая сердцевина. Между ротором и статором имеется небольшой воздушный зазор, который способствует увеличению тока намагничивания.

Хотя электродвигатели могут быть пьезоэлектрическими, электростатическими или магнитными, в подавляющем большинстве современных двигателей используются магниты. Некоторые предназначены для работы от постоянного тока, в то время как другие используют переменный ток. Вы можете найти электродвигатели всех размеров для впечатляюще широкого спектра применений. От крошечных двигателей в часах с батарейным питанием до массивных электродвигателей, приводящих в действие промышленное производственное оборудование, эта надежная, но элегантная технология занимает центральное место в современной жизни, какой мы ее знаем.

Как закон Фарадея изменил мир электродинамики

Хотя электрические двигатели и электрические генераторы выполняют противоположные функции, они оба основаны на одном и том же основном физическом принципе: законе индукции Фарадея. В начале 19 века вклад Майкла Фарадея в изучение электричества и магнетизма не имел себе равных. Несмотря на небольшое формальное образование и несмотря на то, что эмпирическое изучение физических явлений было относительно новой областью знаний, Фарадей, без сомнения, является одним из самых влиятельных ученых за всю историю человечества.

Грандиозное открытие Фарадея, заключающееся в том, что магнитные поля взаимодействуют с электрическими токами, создавая электродвижущую силу, открыло дверь современной электрической технологии. Закон индукции Фарадея лежит в основе трансформаторов, электродвигателей, электрических генераторов, катушек индуктивности и соленоидов. Без этих знаний было бы невозможно разработать надежное оборудование, которое вырабатывает электроэнергию для сети или электродвигатели для питания другого оборудования. На самом деле электродинамика, разработанная Фарадеем, а затем и Максвеллом, также стала главным катализатором специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

Электрические двигатели и электрические генераторы сильно отличаются друг от друга по своим функциям. Однако с точки зрения физики они иллюстрируют две стороны одной медали. Оба основаны на одних и тех же основных физических принципах, и понимание этих принципов сыграло важную роль в развитии даже самых распространенных современных технологий.

Дэвид Мэнни — администратор по маркетингу в L&S Electric. Первоначально эта статья появилась в новом блоге L&S Electric Watts. L&S Electric является контент-партнером CFE Media.

Исходный контент можно найти на сайте www.lselectric.com.

Есть ли у вас опыт и знания по темам, упомянутым в этом содержании? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную команду CFE Media и получить признание, которого вы и ваша компания заслуживаете. Нажмите здесь, чтобы начать этот процесс.

Статья о гальванике+электричество из The Free Dictionary

Гальваника+электричество | Статья о гальванике+электричестве от The Free Dictionary
Гальваника+электричество | Статья о гальванике+электричестве The Free Dictionary

Слово, не найденное в Словаре и Энциклопедии.