20.09.2017, Среда, 03:24
Чтобы выполнить любую работу: переместить груз, обогреть, охладить, осветить помещение, расплавить металл, выполнить вычисления и т.д., требуется энергия.
Рабы и скот нынче дороги, поэтому чаще используют энергию других источников - электростанций. 
Электростанция может находиться далеко от потребителя, но электричество позволяет передавать энергию на большие расстояния
 
Вы, на радость соседям, долбите стену перфоратором у себя дома, в то время как источник энергии для этого инструмента, например, река, находится за сотни или тысячи километров от вас. 
Гидроэлектростанция преобразует кинетическую энергию (энергию движения) речного потока в электроэнергию, а ваш перфоратор наоборот, превращает электроэнергию в движение.
Мы же не потащим шланг с речным давлением в такую даль? Вместо этого тянут провода, по которым перемещаются отрицательно заряженные частицы -  электроны. А перемещение электронов по проводам и есть электрический ток.
Электроны перемещаются по проводам примерно так же, как вода по трубам. 
 
Возьмем ручной водяной насос (слева), соединим его выход с его же входом шлангом, наполненным водой. В разрыв шланга включим "нагрузку" - гидромотор (справа).  
 
  

Крутим ручку насоса - перекачиваем жидкость по шлангам - вращается гидромотор.

Насос и гидромотор в нашей модели могут представлять собой одно и то же устройство, например, такое:

 
 
Если мы вращаем рукояткой шестеренки - перекачиваем жидкость - получаем насос. 
Если же нагнетаем жидкость с одной стороны (на рисунке - слева), шестеренки сами начнут вращаться - получим гидромотор (стрелками показано направление потока жидкости и вращения шестеренок).
 

Видео YouTube

 
 
Движение гидромотора можно использовать для выполнения какой-нибудь работы. 
 
Собственно, это вся схема выработки, передачи и потребления электроэнергии с той лишь разницей, что вместо потока воды, используется ток (движение) электронов по проводам - электрический ток. 
Как и вода, все электроны практически одновременно начинают движение во всей цепи.

Насос можно расположить на большом расстоянии от нагрузки. Энергия будет вырабатываться в одном месте, а работа производиться в другом. 

Как источники энергии (насосы), так и гидромоторы (нагрузки) можно соединять параллельно

 
и разместить где и как угодно. 
Так и устроены электросети - генераторы и потребители объединены в единую систему по всей стране.
 
 
Как передают электроэнергию?
 
Чтобы понять, придется начать со строения веществ.

Все вещества состоят из атомов - мельчайших неделимых частиц.

 

Видео YouTube

 
 
Ядра атомов содержат протоны - носители положительного заряда
Вокруг ядер вращаются электроны. 
Электроны имеют точно такой же по модулю (размеру) заряд, что и протоны, только отрицательный. 
Заряд и протона и электрона - минимально существующий в природе (элементарный), равный 1,6*10^-19 Кл. Меньшего заряда у чего-либо быть не может.

 

 

То есть, заряд любого тела может быть только кратным этому числу -

 
1,6*10^-19 Кл и меняется не плавно, а дискретно (пошагово) - в зависимости от того, сколько именно тело содержит лишних электронов. Или сколько электронов не хватает. Не хватает одного электрона - заряд тела 1,6*10^-19 Кл, лишний один электрон - заряд равен минус 1,6*10^-19 Кл (электроны заряжены отрицательно). Не хватает трех электронов - заряд 4,8*10^-19 Кл и так далее. 
 
А 1 кулон - это суммарный заряд 6,24*10^18 электронов. Так решили - именно такое количество электронов называть 1 кулон. 
Литр воды содержит примерно 3*10^25 молекул. Мы же не говорим: налейте мне 3*10^25 молекул воды, говорим: литр, пол литра, полтора литра и т.д. Так же и с кулоном. 
 Кстати, масса воды тоже меняется дискретно: добавилась одна молекула - масса воды изменилась на массу этой самой молекулы - скачком. Как воду, так и заряд не получится делить на части бесконечно, ибо есть минимальная единица и того и другого.
 
 
Число протонов атома всегда равно количеству электронов, потому суммарный заряд атома равен нулю. 
 
  
Понятно, что также равен нулю заряд нейтрального (не заряженного) тела, состоящего из таких атомов - в нем тоже число протонов равно числу электронов.
Кроме протонов, ядра атомов содержат нейтроны - частицы с массой близкой к массе протона, но без заряда и, по этой причине, нас не интересующие.
   
Еще раз: заряд одного протона равен заряду одного электрона (только знак заряда противоположен). Количество протонов вещества равно количеству электронов. Поэтому тела, хотя и содержат заряженные частицы, в целом не имеют заряда. На миллион протонов - миллион электронов. На миллиард протонов - столько же электронов.
   
Ядра веществ более массивны и, как правило, неподвижны, перемещаться могут электроны, которые легче протонов почти в 2000 раз.
Очень полезно сходить сюда.
  

Так как электрический ток - это направленное движение заряженных частиц, обычно, электронов, 

 
для передачи электроэнергии используют те вещества, в которых электроны слабо связаны с ядрами и потому способные перемещаться внутри вещества
 
 

Видео YouTube

 
  

В нашей энергосистеме с насосами, гидромоторами и шлангами, для передачи энергии нужна вода, причем в жидком виде. Именно перемещение воды позволяет передавать энергию. Если вода замерзла (не может перемещаться) передача энергии невозможна. 

Точно так же, передавать электроэнергию позволяют содержащиеся в проводах свободные (подвижные, слабо удерживаемые атомами) электроны.
Вещества, содержащие свободные электроны в больших количествах, называют проводниками.

Их структура:
 


Большие красные шары - неподвижные ядра атомов проводника, заряженные положительно (потому, что они  лишены части электронов, ушедших в "свободное плавание"). Перемещающиеся между атомами маленькие синие шарики - свободные электроны.
Механизм проводимости такой: допустим, крайние правые электроны начали движение вправо (причин пока не касаемся). Теперь там, откуда они ушли, осталось больше ядер, чем электронов, а ядра имеют положительный заряд. Получается, что это место (эта область) теперь имеет положительный заряд. А раз так, туда потянутся электроны, расположенные левее (противоположные заряды притягиваются). И левее произойдет точно такая же ситуация - образуется местный дефицит (недостаток) электронов, на их место приходят новые электроны, расположенные еще левее. Таким образом, одновременно приходят в движение все электроны проводника, как правило, по замкнутой (кольцевой) цепи, как и жидкость в нашем аналоге электросетей.
  
Важно запомнить, что направление электрического тока считается обратным направлению движения электронов как будто носители тока имеют положительный заряд. Такой косяк возник из-за того, что изучать электрические явления начали раньше, чем обнаружили, что основными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы - электроны. 
  Итак: электроны в одну сторону, ток - в другую.
 

Теперь о причинах, приводящих в движение электроны. 

 

Чтобы жидкость в гидравлической системе пришла в движение, требуется насос с приводом от какого-либо постороннего источника энергии - руки, двигателя и т.п.

В источниках тока, чтобы электроны пришли в движение, требуются так называемые сторонние силы - какие-либо механические усилия, тепловые явления и т.д.
На гидроэлектростанции (ГЭС) сторонней силой является изменение магнитного поля за счет энергии движения водяного потока. 

Смоделировать работу ГЭС несложно: наматываем провод в виде катушки, к ней с торца подносим магнит любым полюсом. 

 

В момент поднесения магнита, электроны в катушке двинутся в одну сторону. Поэтому, на выводах катушки появится разность потенциалов (электрическое напряжение) - избыток электронов на одном выводе, недостаток электронов на другом.

В гидравлическом аналоге - избыток воды, ее повышенное давление на одном конце шланга, недостаток воды, пониженное давление на другом конце. 

 

Что и покажет вольтметр, подключенный к катушке - его стрелка отклонится от нуля.  

Точно такой же всплеск напряжения (только противоположной полярности - электроны двинутся в другую сторону) появляется на концах провода при удалении магнита, или переворачивании его другим концом (полюсом) к катушке.

 
 
Катушка на этом рисунке содержит один виток. Поднося магнит к катушке северным полюсом (N), как на картинке, мы получаем ток, идущий по часовой стрелке. На правом выводе катушки будет плюс, на левом - минус. При удалении магнита - наоборот: справа катушки будет минус, слева плюс. Если бы на месте магнита был буравчик (штопор, иначе говоря), при попытке вогнать его, например, в пробку, его рукоятка вращалась бы по часовой стрелке - как ток в нашей катушке. 
   
Справедливо и обратное: вращая рукоятку штопора по часовой стрелке, мы загоняем его вперед. Так же и ток, текущий в нашей катушке по часовой стрелке (если вместо вольтметра подключить батарею плюсом слева), вызывает появление у катушки собственного магнитного поля севером (N) справа.
 
То есть, при подключении катушки к источнику тока, она становится электромагнитом.
 
В общем, условие появления напряжения на выводах катушки - изменение пронизывающего ее магнитного потокаТо есть, магнит можно: 

- приближать к катушке или удалять от нее

 

Видео YouTube

 

- вращать или наклонять таким образом, чтобы к катушке был обращен поочередно то северный, то южный полюс магнита

- перемещать вверх - вниз 
  - протаскивать сквозь катушку и возвращать обратно (о
писание простейшего генератора, работающего по такому принципу, тут).
  - придумайте сами
 
Понятно, что принцип относительности позволяет нам проделывать подобные манипуляции катушкой возле неподвижного магнита.
Проволочная катушка обладает еще одним замечательным свойством, упомянутым выше: при пропускании через нее электрического тока, у нее появляется магнитное поле. То есть, катушка при этом превращается в электромагнит и может взаимодействовать с постоянным магнитом,
  

Видео YouTube

 
 

а также притягивать к себе металлические предметы. 

  

Если на пути речного потока поставить турбину, механически связанную с магнитом, а рядом с магнитом разместить катушку, то вращающийся магнит (точнее, периодическое изменение магнитного поля, пронизывающего катушку) станет причиной появления электрического напряжения на концах катушки.

 

Если теперь концы катушки-генератора соединить длинными проводами с катушкой-электромагнитом, получим систему электростанция-линия передачи-перфоратор, описанную в начале.

  

Речное течение вращает колесо с лопатками. Колесо через ремень вращает магнит. Изменение магнитного поля в левой катушке вызывает появление на ее концах переменного (меняющегося с частотой вращения магнита) напряжения. Это напряжение мы по проводам передаем на правую катушку. 
 
Так как ток через правую катушку переменный, магнитное поле этой катушки тоже будет переменным - оно то появляется, то исчезает. С такой же частотой будет притягиваться к катушке жало перфоратора (справа). Собственно, все. Мы использовали энергию далекой реки для выполнения работы. Там течет река, тут долбит перфоратор. 
   
Напряжение на выводах катушки будет синусоидальным, то есть, по форме напоминающим идеальную волну:
  
 
Допустим, наш магнит изначально (в момент времени ноль) находится в положении, перпендикулярном катушке. Оба полюса магнита на одинаковом расстоянии от катушки, поэтому магнитное поле в ней равно нулю. 
 
Поворачиваясь каким-либо полюсом к катушке, магнит вызывает рост напряжения на ее выводах. Этот период соответствует подъему красной кривой на графике. В момент, когда магнит будет параллелен катушке, магнитное поле в последней становится максимальным В этот момент рост напряжения на ее выводах прекращается. После этого полюс магнита начинает удаляться от катушки, напряжение на ее выводах пойдет на спад до нуля (на графике - от верхнего гребня волны до прямой t). Понятно, что ноль будет в момент, когда магнит снова перпендикулярен катушке. После этого, к катушке начнет приближаться противоположный полюс магнита. И это вызовет увеличение напряжения на выводах катушки, но уже другой полярности - электроны начнут движение в другую сторону. Этот рост также продолжится до параллельного положения магнита и катушки. То есть до момента, когда полюс магнита будет максимально близко к катушке. А после - снова начнется спад напряжения до нуля (на графике - от нижней точки волны до прямой t). 
 
Таким образом, вращение магнита возле катушки, вызывает появление синусоидального (волнового) переменного напряжения на ее выводах.
 
На практике, в электрогенераторах и электродвигателях чаще используют не вращение магнита возле катушки, а вращение катушки в магнитном поле. Но сути это не меняет: магнитное поле в катушке растет от нуля до максимума, потом падает до нуля, после снова растет, но уже в противоположной полярности, а затем также падает до нуля. После цикл повторяется. Напряжение с катушки снимается скользящими контактами:
  

Видео YouTube