20.09.2017, Среда, 03:18
В нашей модели, как и в реальной энергосистеме, используется переменный ток. То есть, электроны текут не в одну сторону, а несколько раз в секунду меняют направление. 
В гидравлических аналогах тоже можно использовать переменное направление потока жидкости - просто крутим ручку насоса то по часовой, то против. Эти движения будет повторять гидромотор. Что не помешает нам снять с него энергию.
 
Чем быстрее меняется магнитное поле в катушке-генераторе, тем больше энергии она вырабатывает:
\mathcal E = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}
Электродвижущая сила (сила, движущая электроны) E равна скорости изменения магнитного потока Ф через контур (катушку в нашем случае). 
Треугольник в уравнении - греческая буква "дельта", обозначающая изменение какого-либо параметра. Например, машина ускорилась со скорости 60 км/ч до 90 км/ч. Разница  30 км/ч. Можно записать: дельта V = 30 км/ч (V - обозначение скорости). Если машина замедлилась на такую же величину, пишем: дельта V = - 30 км/ч. (минус 30 км/ч).
То есть, дельта Ф в уравнении означает величину изменения магнитного потока, а дельта t - изменение времени (разницу между временем, когда изменение магнитного поля началось, и временем, когда закончилось). 
Точно так же можно записать, например, скорость: V = дельта S/ дельта t. Скорость равна изменению расстояния S, деленному на изменение времени t. Пусть на десятой секунде от начала отсчета времени, объект находился в трех метрах от какой-либо отметки, на двадцатой секунде - в тридцати метрах от нее. Изменение расстояния делим на изменение времени: (30 м - 3 м)/(20 с - 10 с) = 27 м/10 с = 2,7 м/1 с. 
Скорость объекта 2,7 м/с.
 
Хочешь больше энергии - быстрее шевелись. Но энергия не дается даром: взаимное перемещение магнита и катушки требует усилий, и тем больших, чем больше электроэнергии забирают с катушки.
Это связано с тем, что у катушки, находящейся в изменяющемся магнитном поле, возникает собственное магнитное поле, направленное таким образом, чтобы препятствовать изменению магнитного поля в ней
 
Иными словами, магнитное поле катушки мешает любым взаимным перемещениям магнита и катушки - как вязкая среда, например, болото, мешает любому движению. 
Если на разомкнутой катушке тормозящее влияние мало, то при подключении нагрузки, торможение становится заметным. Наглядно с 1.20 по 2.00:

Электрогенератор

 
Более того, катушка препятствует изменению магнитного поля в самой себе даже в отсутствие внешнего магнита. Пропускаем через катушку ток - превращаем ее в электромагнит. Так вот, если выключить внешний источник тока, ток через катушку не прекращается мгновенно, а некоторое время поддерживается за счет энергии ее же магнитного поля:

ЭДС самоиндукции

 
При включении и выключении источника тока возникает нечто похожее на гидравлический удар
В общем, катушка такая штука, в которой невозможен как моментальный разгон, так и моментальное торможение электронов (а значит - и тока).
Вновь воспользуемся гидравлическим аналогом. Представьте себе трубу, в которой находится крыльчатка (типа лопастей вентилятора) на массивном валу.
Слева в трубу начинаем закачивать жидкость, за счет ее движения начинает раскручиваться маховик. Быстро разогнать жидкость не получится - необходимо время для раскрутки.
Не получится и моментально остановить поток, перекрыв, к примеру, правый срез трубы - вращающаяся за счет инерции массивного вала крыльчатка создаст там сильный скачок давления (гидравлический удар).
Точно такую же картину можно наблюдать в катушке индуктивности. Если подключить к катушке низковольтную батарейку, а затем отключить, удерживая концы катушки голыми руками, можно почувствовать кратковременный заметный удар током. Именно по такому принципу работают простейшие бестрансформаторные преобразователи напряжения: 
Транзистор VT1 периодически открывается положительными импульсами, подаваемыми на его базу (вход). 
Что значит "открывается"? Это означает, что при появлении положительного напряжения на базе транзистора (правый его вывод), транзистор начинает пропускать через себя ток от коллектора (верхний вывод) к эмиттеру (нижний вывод). 
Положительные импульсы, следующие с высокой частотой подаются на базу транзистора от какого-либо генератора, который мы пока рассматривать не будем.
В этот момент от плюса источника питания (+28 В) через катушку L1 и транзистор на минус источника, протекает ток (синяя линия на верхнем рисунке). 
Все точки схемы, соединенные с минусом источника тока (и, соответственно, друг с другом) обозначены жирной горизонтальной чертой, называемой "земля", "масса" или "общий провод". Такой метод позволяет избежать излишнего загромождения схем линиями. 
После того, как транзистор закрывается, т.е., перестает проводить ток, когда на его базе отключают положительное напряжение (нижний рисунок) - на катушке L1 возникает всплеск высокого напряжения (смотрите гидравлический аналог), который через диод VD1 заряжает конденсатор C2 до напряжения аж 250 В!
Получается такая картина: шли себе электроны от батареи через катушку и транзистор обратно к батарее, и тут раз - перекрыли дорогу (закрыли транзистор). А магнитное поле катушки (в гидравлическом аналоге - инерцию вала) куда девать? Вот и начинают электроны с большой силой ломиться туда, куда только можно. А можно в данной схеме - только к конденсатору C2 (синяя линия на нижнем рисунке). То есть, после запирания транзистора, электроны будут протекать по цепи батарея - катушка - диод - конденсатор - батарея.
Диод VD1 (прибор, проводящий ток только в одном направлении - по стрелке) в данной схеме нужен для того, чтобы ток с заряженного конденсатора C2 не потек в обратном направлении, к источнику тока после того, как всплеск напряжения на катушке завершился.
Вместо транзистора вполне можно поставить обычный выключатель, и периодически включать и выключать его вручную.
Просто это не получится делать так же быстро, но тем не менее, и в этом случае мы сможем зарядить C2 до указанного напряжения. Гидравлический аналог этой схемы - таран.
 

Напряжение (разность потенциалов).

Электрическое напряжение - аналог водяного давления.

 

Если крутить рукоятку насоса, давление воды в верхнем шланге увеличится (качаем "вверх"), а в нижнем шланге - уменьшится. Возникнет разность давлений между шлангами. Эта разность давлений позволит работать гидромотору, если его подключить к шлангам.

 

Взглянем на выводы электрогенератора (в нашем случае - катушки, при поднесении к ней магнита):

на отрицательном выводе электронов избыток - их больше, чем протонов. На положительном выводе генератора  электронов не хватает. Понятно, что если мы замкнем выводы генератора, электроны потекут оттуда, где их больше, туда, где их меньше, то есть с одного вывода генератора на другой, по замкнутой цепи: минусовой вывод генератора - проводник - плюсовой вывод генератора. 
 

Запомним: электрическое напряжение означает избыток или дефицит электронов на поверхности тела. Если электронов больше, напряжение отрицательное, если электронов не хватает - напряжение положительное. Чем больше избыток или дефицит электронов на поверхности тела, тем выше напряжение (потенциал) этого тела.

 
Электроны всегда текут оттуда, где их больше, туда, где их меньше. То есть, от точки с высоким потенциалом, к точке с меньшим потенциалом.

 

Причем, электроны всегда выбирают путь с наименьшим сопротивлением их движению. Примерно, как пешеходы или автомобилисты. Или вода. Чем больше путь сопротивляется движению хоть автомобилей, хоть электронов, тем меньше их пойдет по этому пути.

Во сколько раз поперечное сечение нижнего рукава реки меньше верхнего, во столько же раз меньше поток воды через него. Электроны ведут себя так же. Во сколько раз одно из сопротивлений больше другого, во столько же раз меньше ток через него.

 

Как и вода, электроны "по дороге" могут совершить работу - вращать электродвигатель, зажечь лампу и т.д.

Видео YouTube

 

Вольт.

Каноническое определение: 1 вольт - разность потенциалов двух точек, на перемещение между которыми заряда в 1 Кл (один кулон), требуется энергия 1 Дж - мутновато. Что за точки? Кто, и каким образом между ними нечто перемещает?

 

Перевернем с ног на голову: напряжение между двумя точками 1 вольт, если при прохождении между ними заряда 1 кулон, выделяется энергия 1 джоуль. Так у нас есть за что зацепится. 

 

"Две точки" у нас - выводы батареи. В общем случае - любые две точки электрической схемынапряжение всегда измеряется между двумя точками. Между чем-то и чем-то.

 

1 Кл (кулон) - это заряд, который несут примерно 6*10^18 электронов (заряд одного электрона 1,6*10^-18 Кл).

1Дж (джоуль) - тоже вполне измеряемое количество энергии

 

1 Дж энергии нагреет 0,25 грамм воды на один градус. 

1 Дж - потенциальная энергия груза массой 1 кг, поднятого на высоту 10 см. А это значит: чтобы поднять 1 кг на 10 см (например, электродвигателем), требуется энергия 1 Дж. 

1 Дж - кинетическая энергия того же килограммового груза, разогнанного до скорости 1,4 м/с.

То есть, джоуль вполне можно увидеть, почувствовать и оценить.

 

Подключаем какую-нибудь нагрузку (устройство, потребляющее электроэнергию, то есть, пропускающее через себя ток, допустим, лампочку) к источнику тока (например, батарейке) и начинаем отсчитывать электроны. Отсчитали 6*10^18 штук - стоп! Отключаем нагрузку и смотрим, сколько энергии выделилось. Если 1 Дж - стало быть, напряжение источника 1 В (1 вольт). Можно наоборот: подключить нагрузку к источнику тока, и подождать, пока выделится 1 Дж энергии. А потом посмотреть - 6*10^18 электронов прошло? Если да, то напряжение источника 1 В.

 

Гидравлическая аналогия: разность давлений между двумя точками равна такой-то величине, если при протекании между ними стольких-то литров воды, выделится энергия в 1 Дж. Ведь на деле может выделиться как больше энергии (если разность давлений между точками больше), так и меньше. А если ровно 1 джоуль, значит гидравлическое "напряжение" между этими двумя точками равно, условно говоря, одному "жидкому вольту". Выделяемую энергию можно измерить, к примеру, генератором в потоке жидкости.

 

На практике, для измерения напряжения используется магнитное поле, возникающее вокруг катушки с током. 

Прибор, измеряющий напряжение, называется вольтметром.

Выше упоминалось, что проволочная катушка при пропускании через нее тока, превращается в электромагнит. Если такую катушку подвесить на оси в поле постоянного магнита, при пропускании через нее тока, он начнет вокруг этой самой оси поворачиваться - за счет притягивания разноименных полюсов катушки и магнита:

"Южный" полюс катушки-электромагнита притягивается к "северному" полюсу постоянного магнита, и отталкивается от его "южного" полюса. На "северном" полюсе катушки - такая же картина.
К клеммам вольтметра (к концам катушки) подключается источник тока (или любые две точки схемы, между которыми нужно определить напряжение). В зависимости от направления тока в катушке, стрелка отклонится или влево или вправо (от направления тока зависит то, с какого торца катушки окажется северный (N), а с какого южный (S) полюс. Угол отклонения стрелки покажет напряжение, выдаваемое источником тока. Ибо чем выше это напряжение, тем сильнее магнитное поле катушки. Чтобы не влиять на измеряемую схему, вольтметр должен обладать высоким сопротивлением, иначе его показания окажутся заниженными за счет того, что часть тока пойдет через него (примерно, как если бы манометр пропускал воздух).
 
Как у постоянного магнита, так и у электромагнита, силовые линии выходят из северного полюса (N) и входят в южный (S)Силовые линии магнита замкнуты (имеют форму кругов и овалов, непрерывны), поэтому их называют вихревыми.

Видео YouTube

 

Ампер.

Если упомянутые выше 6,25*10^18 электронов (1 кулон) прошли через проводник за одну секунду значит, сила тока в этом проводнике один ампер. Ампер - это ток 1 Кл в секунду. 1 А = 1 Кл/сек.

Сила тока измеряется амперметром. Он устроен и выглядит примерно так же как и вольтметр - подвижная (вращающаяся) катушка с измеряемым током в поле постоянного магнита. Чем сильнее ток через амперметр, тем сильнее поворачивается стрелка.

Амперметр показывает, сколько кулон в секунду проходит через проводник. То есть, количество электронов за единицу времени.

Чтобы не влиять на измеряемую схему (не мешать прохождению тока через нагрузку), амперметр, в отличие от вольтметра, должен обладать минимальным сопротивлением. Поэтому в нем используется катушка с меньшим количеством витков и более толстым проводом - чтобы не мешать движению электронов.

Амперметр включают в разрыв цепи, последовательно с нагрузкой (потребителем энергии). Амперметр, по сути, расходомер электронов.

 

Добрая половина любителей, покупающих измерительные приборы, лишаются оных, пытаясь “измерить силу тока в сети”. Из сказанного выше понятно, что делать этого не стоит. Низкое сопротивление амперметра приведет к большому току через него и выходу оного из строя. Амперметр должен измерять ток через нагрузку - какой-либо прибор или иной элемент цепи, а не через самого себя.

 

Ниже схема подключения амперметра (А) и вольтметра (V). Слева - источник тока (батарея), R - нагрузка. Ток течет от плюсового (верхнего) вывода батареи через нагрузку R к минусовому (нижнему) выводу. Внутри батареи перемещение электронов осуществляют сторонние  в данном случае, химические, силы.

Амперметр считает ток (количество электронов, проходящих за единицу времени) через нагрузку R, потому последователен с ней. Вольтметр же, измеряет разность потенциалов (аналог разности давлений) на концах нагрузки, потому ей параллелен.

Гидравлический эквивалент этой схемы:

насос качает воду вверх (по стрелке), через нагрузку-гидромотор вода возвращается в насос. Чем больше поток жидкости в трубах, тем больше он отклоняет вправо стрелку "амперметра". Чем больше разность давлений на концах нагрузки, тем ниже опустится подпружиненный поршень со стрелкой в центре "вольтметра". По этой схеме понятно, что амперметр должен обладать минимальным сопротивлением (чтобы не мешать потоку воды), а вольтметр - максимальным (чтобы вода шла через нагрузку, а не через него).