Электричество, пожалуй, самое значимое открытие в истории человечества. Неведомая ранее сила существовала всегда и яркий пример тому – молния. Столкнувшись с этим явлением, ученые задавались вопросом – откуда взялось электричество и что это такое?
Изучение электричества продолжалось почти 2700 лет. С того самого момента, когда древний философ Фалес Милетский обнаружил притяжение мелких предметов янтарем, потертым о кусочек шерсти. Сегодня мы знаем, что электричество передается электронами – маленькими «шариками», бегущими по проводам.
Эксперимент: положите на стол мелкие кусочки бумаги, а затем возьмите простую пластиковую ручку и интенсивно потрите ее о кусочек шерсти или о волосы. Приблизив ручку к кусочкам бумаги, они просто начнут прилипать к ней. Это и есть притяжение, возникшее в следствии статического заряда.
В процессе исследований ученые задавались вопросом – откуда берется электричество, и находили все новые источники. В природе атмосферное электричество носит статический характер. Мельчайшие капельки воды, из которых состоят облака, трутся друг о друга. В результате трения накапливают заряд и в конечном итоге разряжаются друг в друга или в землю в виде молнии.
Электростатическая машина
Принцип ее действия основан все на том же трении, а современные электростатические машины демонстрируют на уроках физики. Первая такая машина появилась еще в 1663 году. Тогда ученые заметили, что при трении стекла о шелк возникает один заряд, а при трении смолы о шерсть ‒ другой. Противоположные заряды тогда называли «стеклянным и смоляным электричеством». Сегодня мы знаем, что это положительный (+) и отрицательный (-) заряды.
Накапливали эти заряды в лейденской банке. Это был первый конденсатор, который представлял собой стеклянную банку, обмотанную фольгой и заполненную соленой водой. Вода накапливала один заряд, а фольга ‒ второй. При сближении контактов между ними проскакивает искра, являя собой маленькую модель молнии.
Сегодня это обычная батарейка – источник постоянного тока. Электроток в батарейке появляется в результате химической реакции. Получить его можно и в домашних условиях. В стакан с уксусом опустите простой гвоздь, а рядом ‒ медную проволоку. Вот и все ‒ батарейка готова. Первый гальванический элемент создал выдающийся физик Вольт. Он взял цинковые и серебряные кружочки и, чередуя их по очереди, переложил бумажками, промоченными в соленой воде. Однако подсказкой для Вольта стал эксперимент профессора медицины Гальвани. Ученый, изучая анатомию, подвесил лягушечью лапку на медном крючке, а когда прикоснулся к ней стальным предметом лапка дёрнулась. Понадобилось более 10 лет, чтобы разгадать загадку откуда появилось электричество, но в итоге Вольт определил, что оно возникло в процессе взаимодействия разных металлов.
Генератор
Первый генератор был создан в 1831 году известным физиком Фарадеем. Принцип основан на связи электричества и магнетизма. Ученый намотал на катушку провод и, когда двигал внутри катушки магнит, в обмотке появлялось электрический ток. Тот же принцип сохраняется в современных динамо-машинах. Такие устройства устанавливают на переднее колесо велосипеда и подключают к фаре. В корпусе находится катушка, а в середине вращается постоянный магнит. Современные промышленные генераторы, работающие на электростанциях, устроены сложнее. В них постоянный магнит заменили катушкой возбуждения, то есть электромагнитом, а в остальном работает все тот же принцип, открытый Фарадеем.
Как уже упоминалось, электричество передается электронами. Для того чтобы электроны начали перемещаться по проводам, им нужна дополнительная энергия. В простых генераторах они получают эту энергию от магнитного поля, а вот в солнечных батареях ‒ от света. Маленькие частички света – фотоны, попадают на специальную матрицу, которая под воздействием света начинает отдавать электроны и возникает электрический ток.
Современное электричество
Сегодня без электричества трудно представить существование человечества. К тому же с ростом технологических мощностей одним из актуальных вопросов становится ‒ откуда брать электричество. Поэтому в мире строятся и работают множество различных электростанций. Не считая солнечные, все остальные производят электрический ток с помощью генераторов, а вот вращаются эти генераторы благодаря различным силам.
Принцип работы различных видов электростанций:
- гидроэлектростанция – вращение происходит за счет прохождения потока воды через турбину (лопасти);
- ветряная электростанция – вращение происходит за счет ветра, раскручивающего лопасти пропеллера;
- теплоэлектростанция – сжигается топливо, нагревая воду и превращая ее в пар. В свою очередь, пар под давлением проходит через турбину и вращает лопасти, а вращение передается генератору;
- атомная электростанция – принцип тот же, что и у тепловой, только вода нагревается не сгоранием топлива, а замедленной ядерной реакцией.
Вот откуда в наш дом приходит электричество. Правда на своем пути стремительные электроны проходят еще много различных установок, электрических станций и подстанций, где преобразовывается напряжение, распределяется мощность и др. Объяснить для детей откуда берется электричество можно проще, сказав, что это невидимая сила, получаемая из самой природы – течения рек, дуновения ветра, огня. При этом обязательно нужно предупредить, что электрический ток – опасен и не прощает шалостей, поэтому от розеток лучше держаться подальше.
Ноль
В обыкновенной розетке присутствует 2 контакта – фаза и ноль. Откуда берется ноль в электричестве, если плюс и минус являются переменными фазы? Каждый генератор на электростанции имеет 3 обмотки и в каждой генерируется отдельная фаза. Фазы обозначают латинскими буквами А, В и С. Концы всех 3-х обмоток замкнуты, а вторые концы – источники фаз. Точка замыкания обмоток и является нулем. Таким образом, ток от любой из обмоток, проходящий через нагрузку, возвращается в нулевую точку. Дополнительно в щитовой дома ноль заземляется, а схема называется «глухозаземленная нейтраль». При воздушной ЛЭП нулевой провод заземляется на опорах. Это сделано, чтобы при коротком замыкании ток достиг максимума, достаточного для срабатывания отсекающей автоматики. К тому же если на основном нулевом проводе произойдет обрыв, земля сработает как коллектор и аварии не произойдет.
На некоторых промышленных электроустановках выполняется изолированная нейтраль, так как это предусмотрено эксплуатационными особенностями самой установки. В домах же ноль обязательно заземляется.
В электрической цепи, включающей источник тока и потребитель электроэнергии, возникает электрический ток. Но в каком направлении возникает этот самый ток? Традиционно считается, что во внешней цепи ток имеет направление от плюса источника к минусу в то время, как внутри источника питания - от минуса к плюсу.
И действительно, электрический ток - это упорядоченное движение электрически заряженных частиц. В случае, если проводник изготовлен из металла, такими частицами служат электроны - отрицательно заряженные частицы. Однако во внешней цепи электроны движутся именно от минуса (отрицательного полюса) к плюсу (положительному полюсу), а не от плюса к минусу.
Если включить во внешнюю цепь , то станет ясным, что ток возможен лишь тогда, когда диод подключен катодом в сторону минуса. Из этого следует, что за направление электрического тока в цепи принимают направление противоположное реальному движению электронов.
Если проследить историю становления электротехники как самостоятельной науки, можно понять, откуда возник такой парадоксальный подход.
Американский исследователь Бенжамин Франклин выдвинул в свое время унитарную (единую) теорию электричества. По этой теории электрическая материя является невесомой жидкостью, которая может вытекать из одних тел, при этом накапливаться в других.
По Франклину, электрическая жидкость есть во всех телах, но наэлектризованными тела становится лишь тогда, когда в них имеет место избыток или недостаток электрической жидкости (электрического флюида). Недостаток электрического флюида (по Франклину) означал отрицательную электризацию, а избыток - положительную.
Так было положено начало понятиям положительного заряда и отрицательного заряда. В момент соединения тел заряженных положительно с телами, заряженными отрицательно, электрическая жидкость перетекает от тела с большим количеством электрической жидкости к телам с пониженным ее количеством. Это похоже на систему сообщающихся сосудов. В науку вошло устойчивое понятие электрического тока, движения электрических зарядов.
Эта гипотеза Франклина предварила электронную теорию проводимости, однако она оказалась совсем не безупречной. Французский физик Шарль Дюфе обнаружил, что в реальности есть два вида электричества, которые в отдельности подчиняется теории Франклина, однако при соприкосновении взаимно нейтрализуются. Появилась новая дуалистическая (двойственная) теория электричества, выдвинутая естествоиспытателем Робертом Симмером на основании опытов Шарля Дюфе.
При натирании, с целью электризации, электризуемых тел, заряженным становится не только натираемое тело, но и натирающее. Дуалистическая теория утверждала, что в обычном состоянии в телах содержатся два рода электрического флюида и в разных количествах, которые нейтрализуют друг друга. Объяснялась электризация изменением соотношения отрицательных и положительных электричеств в электризуемых телах.
Как гипотеза Франклина, так и гипотеза Симмера успешно объясняли электростатические явления и даже конкурировали между собой.
Изобретенный в 1799 году вольтов столб и открытие привели к выводам о том, что при электролизе растворов и жидкостей в них наблюдается два противоположных по направлению движения зарядов - отрицательное и положительное. Это было торжество дуалистической теории, ведь при разложении воды теперь можно было наблюдать, как на положительном электроде происходит выделение пузырьков кислорода, в то же время на отрицательном - водорода.
Но здесь не все было гладко. Количество выделяемых газов получалось разным. Водорода выделялось вдвое больше, чем кислорода. Это ставило физиков в тупик. Тогда химики еще не имели представления о том, что в молекуле воды присутствуют два атома водорода и всего один атом кислорода.
Эти теории не были понятны всем.
Но в 1820 году Андре-Мари Ампер в работе, представленной членам Парижской академии наук, сперва решает выбрать одно из направлений токов в качестве основного, но затем дает правило, согласно которому можно точно определить воздействие магнитов на электрические токи.
Чтобы все время не говорить о двух противоположных по направлению токах обоих электричеств, во избежание лишних повторений, Ампер решил за направление электрического тока строго принять направление движения именно положительного электричества. Так, впервые Ампером было введено до сих пор общепринятое правило направления электрического тока.
Этого положения придерживался позже и сам Максвелл, придумавший правило «буравчика», определяющее направление магнитного поля катушки. Но вопрос об истинном направлении электрического тока так и оставался открытым. Фарадей писал, что такое положение вещей лишь условно, оно удобно ученым, и помогает им ясно определять направления токов. Но это лишь удобное средство.
После открытия Фарадеем электромагнитной индукции, появилась необходимость определять направление индуцированного тока. Русский физик Ленц дал правило: если металлический проводник движется вблизи тока или магнита, то в нем возникает гальванический ток. И направление возникающего тока таково, что неподвижный провод пришел бы от его действия в движение, противоположное исходному перемещению. Просто, облегчающее понимание правило.
Даже после открытия электрона, эта условность существует более полутора столетий. С изобретением такого устройства, как электронная лампа, с широким внедрением полупроводников, стали возникать трудности. Но электротехника, как и прежде, оперирует старыми определениями. Порой это вызывает настоящую путаницу. Но внесение коррективов вызовет больше неудобств.
Для стабильной жизни нашего мегаполиса необходима энергия, равная 100 млн. кВт\час в сутки, а в год это составляет около 38 млрд. кВт\часов. Кто и что обеспечивает Москву электроэнергией? На Раушской набережной находится ГЭС №1 (самая старая электростанция столицы), которая не только является памятником по охраной Юнеско, но и вырабатывает электроэнергию для снабжения Государственной Думы, Кремля, Лубянской площади и метрополитена. Номинальная мощность станции - 86 МВт. Станция была построена по указу императора Александра III для подключения электричества к первым трамваям. За 114 лет существования ГЭС-1 её мощность возросла в 10 раз.
Основным источником электроснабжения Москвы являются ТЭЦ, в количестве 15 единиц.
Ещё одной особенностью электроснабжения Москвы - является Московское энергетическое кольцо образовано высоковольтными линиями электропередачи (напряжение 500 кВ) и группой мощнейших подстанций (ПС) , расположенных как в черте города, так и в Московской области. Основная задача этих узловых подстанций — понижение напряжения с 500 до 220 и 110 кВ и передача его на узловые распределительные подстанции.
Подключение электричества к дому или участку может занять продолжительное время — минимум — месяц-полтора, максимум — до двух лет. Хотя законодательно разрешение вы должны получить в течение 30 дней с момента подачи заявки. Само подключение участка или дома к электросети занимает обычно до полугода, хотя могут и за полторы недели подключить, а могут тянуть несколько лет. Все зависит от ситуации, и частично — от вашей настойчивости.
Как получить разрешение на подключение электричества
Порядок действий одинаков, хотите вы подключить участок земли без строения или постройку постоянного (частный дом) или временного проживания (дача). Для начала находите адрес энергосбытовой кампании вашего района. Проще это сделать по интернету написав в поисковой строке «адрес энергосбытовой кампании» и добавить название района. Бывают ситуации, когда участок стоит на границе зон обслуживания двух организаций энеросбыта. Тогда заявка подается в ту, чей столб стоит ближе.
По найденному адресу отправляют заполненную заявку и пакет документов. В каждом районе перечень документов может немного отличаться, но в основном нужны будут:
- Заявка на подключение (одна из форм и образец заполнения приведены на фото ниже).
- Ксерокопию паспорта, данные которого указаны в заявке.
- Копия свидетельства о праве на собственность.
- Ксерокопию ИНН.
- Перечень всех энергопотребляющих устройств, которые будут подключаться к сети с указанием их мощности.
- Расчет нагрузки.
- План участка и дома в масштабе, на котором указать расположение ближайших столбов электросети. Если на участке или около него есть трубопроводы (газ, водопровод, канализация и т.п.) они обязательно должны быть на плане. На плане дома указать места, где будут установлены электроустановки.
Подать документы можно по почте или лично. Если вы решили принести заявку лично, зайдите в приемную к секретарю, подайте заполненную заявку на подключение в двух экземплярах со всеми документами, на втором (он останется вам) попросите поставить дату принятия документов. При таком способе подачи, вам точно ответят в течение положенных законодательно 30 дней.
Можно отправить заявку по почте. В этом случае ждать нужно примерно 45 суток, учитывая время на доставку почты. Если ответа нет, посылайте запрос вторично или поезжайте и подавайте лично. Такое бывает нечасто, но встречаются и такие ситуации: письмо где-то потеряли, засортировали и т.п.
На фото приведен пример заполненой заявки. Это только один из образцов, формы меняются не реже одного-двух раз в год, так что вам нужно будет найти действующий на данный момент тип бланка и заполнить его.
Что будет в ответе
В письме от «Энергосбыта» вам придет два экземпляра договора по подключению к электросети, подписанных представителями кампании, и «Технические условия на подключение» (ТУ).
В договоре прописан срок подведения электричества к участку. Стандартно там стоит 6 месяцев. Этот максимальный срок, отведенный законодательно на выполнение всех работ. По факту, срок подключения сильно зависит от того, на каком расстоянии находится столб от участка. Для городских условий «рядом» означает на расстоянии не более 300 метров, для сельской местности — менее 500 метров.
Если расстояние в этих пределах, вам могут подключить быстрее — через пару месяцев. Если далеко — срок может быть намного больше, чем полгода. Хотя по прошествии этого срока вы можете предъявлять претензии. Независимо от того, когда вам подключат электричество на участок, начинаете стройку тогда, когда вам удобно.
Иногда в договоре стоит расплывчатая формулировка, без указания даты. Например, такая: «Подключение участка №…будет произведено в течение 6 месяцев, но при условии модернизации или ремонта (постройки) понижающей трансформаторной подстанции». Подписав договор, содержащий примерно такой или похожий текст, ждать вы можете годами: пока организация начнет постройку или модернизацию подстанции. Только после этого вам в течение 6 месяцев ваш участок могут подключить к электросети.
Сколько стоит провести электричество
Согласно принятого в 2011 году постановления № 129 если потребляемая мощность составляет до 15 кВт, а расстояние от участка до ближайшего столба 300 и 500 метров (в зависимости от типа населенного пункта), стоимость подключения электричества будет 550 рублей.
Если нагрузка или расстояние больше, подключение идет по коммерческим расценкам, а это — уже совсем другие суммы. Например, в Московской и прилегающих к ней областях, за подключение 1 кВт мощности нужно заплатить от 10 тыс. рублей. То есть, если вам нужны 16 кВт, то это 160-200 т.р. и больше. По коммерческим тарифам считается плата за подключение и если расстояние до столба в сельской местности превышает 500 метров, а в городской — 300 метров.
Потому целесообразно перед покупкой участка узнать, где стоит ближайший подключенный столб электросети. От этого зависит, сколько денег потребуется, чтобы подключить электричество к дому или участку. Согласитесь, 550 рублей и сотни тысяч — разница более чем ощутимая.
Иногда, даже если требуется вам 15 кВт и столб стоит в указанных пределах, вам говорят, что какие-то работы необходимо оплатить отдельно. Прав требовать у вас оплаты ни у кого нет. Даже если требуется повышение мощности оборудования или модернизация сети. Если ваши запросы укладываются в оговоренные выше условия, стоимость подключения электричества к земельному участку или дому будет 550 рублей.
Что потом
После того, как разрешение и технические условия получены, нужно разработать проект электрификации участка. В принципе, но если дом будет большим, с подсобными и техническими помещениями, с выводом электричества в зону установки насосной станции или насоса для подачи воды, лучше заказать проект в специализированной организации. И лучший вариант — в той энергосбытовой организации, куда вы подавали заявку на подключение. Проблем с приемкой будет куда меньше.
Если проект будете составлять сами, его нужно будет согласовать в энергоснабжающей организации. Если требования соблюдены, вам его утвердят, если есть нарушения, укажут, что нужно поменять. Внеся изменения, снова подаете проект на подпись. Только имея на руках готовый подписанный проект, можно приступать к его реализации.
Это упорядоченное движение определенных заряженных частиц. Для того чтобы грамотно использовать весь потенциал электричества, необходимо четко понимать все принципы устройства и работы электрического тока. Итак, давайте разберемся, что же такое работа и мощность тока.
Откуда вообще берется электрический ток?
Несмотря на кажущуюся простоту вопроса, немногие способны дать на него вразумительный ответ. Конечно, в наши дни, когда технологии развиваются с неимоверной скоростью, человек особо не задумывается о таких элементарных вещах, как принцип действия электрического тока. Откуда берется электричество? Наверняка многие ответят "Ну, из розетки, ясное дело" или же просто пожмут плечами. А между тем, очень важно понимать, как происходит работа тока. Это следует знать не только ученым, но и людям, никак не связанным с миром наук, для их же всеобщего разностороннего развития. А вот уметь грамотно использовать принцип работы тока под силу не каждому.
Итак, для начала следует понять, что электричество не возникает ниоткуда: его вырабатывают специальные генераторы, которые находятся на различных электростанциях. Благодаря работе вращения лопастей турбин паром, полученным в результате нагрева воды углями или нефтью, возникает энергия, которая впоследствии с помощью генератора превращается в электричество. Генератор устроен очень просто: в центре устройства находится огромный и очень сильный магнит, который заставляет электрические заряды двигаться по медным проводам.
Каким образом электрический ток доходит до наших домов?
После того как с помощью энергии (тепловой или ядерной) было получено определенное количество электрического тока, его можно подавать людям. Работает такая подача электричества следующим образом: чтобы электричество успешно дошло до всех квартир и предприятий, его нужно "подтолкнуть". А для этого потребуется увеличить силу, которая и будет это делать. Она называется напряжением электрического тока. Принцип действия выглядит так: ток проходит через трансформатор, который увеличивает его напряжение. Далее электрический ток идет по кабелям, установленным глубоко под землей или же на высоте (ибо напряжение порой достигает 10000 Вольт, что является смертельно опасным для человека). Когда ток добирается до места своего назначения, он снова должен пройти через трансформатор, который теперь уже уменьшит его напряжение. Затем он проходит по проводам к установленным щитам в многоквартирных домах или других зданиях.
Проведенное через провода электричество можно использовать благодаря системе розеток, подключая к ним бытовые приборы. В стенах же проводятся дополнительные провода, через которые течет электрический ток, и благодаря именно ему работает освещение и вся техника в доме.
Что такое работа тока?
Энергия, которую несет в себе электрический ток, с течением времени преобразуется в световую или же тепловую. Например, когда мы включаем лампу, электрический вид энергии превращается в световую.
Если говорить доступным языком, то работа тока - это то действие, которое произвело само электричество. При этом ее можно очень легко подсчитать по формуле. Исходя из закона о сохранении энергии, можем сделать вывод, что электрическая энергия не пропала, она полностью или частично перешла в другой вид, отдав при этом определенное количество теплоты. Эта теплота и есть работа тока, когда он проходит по проводнику и нагревает его (происходит теплообмен). Так выглядит формула Джоуля-Ленца: A = Q = U*I*t (работа равна количеству теплоты или же произведению мощности тока на время, за которое он протекал по проводнику).
Что означает постоянный ток?
Электрический ток бывает двух видов: переменный и постоянный. Они различаются тем, что последний не меняет своего направления, он имеет два зажима (положительный "+" и отрицательный "-") и начинает свое движение всегда из "+". А переменный ток имеет две клеммы - фазу и ноль. Именно из-за наличия одной фазы на конце проводника, его называют также однофазным.
Принципы устройства однофазного переменного и постоянного электрического тока абсолютно разные: в отличие от постоянного, переменный меняет и свое направление (образуя поток как из фазы в направлении к нулю, так из нуля по направлению к фазе), и свою величину. Так, например, переменный ток периодически меняет значение своего заряда. Получается, что при частоте 50 Гц (50 колебаний в секунду) электроны меняют направление своего движения ровно 100 раз.
Где используется постоянный ток?
Постоянный электрический ток обладает некоторыми особенностями. Ввиду того, что он течет строго по одному направлению, его сложнее трансформировать. Источниками постоянного тока можно считать следующие элементы:
- аккумуляторы (как щелочные, так и кислотные);
- обычные батарейки, используемые в мелких приборах;
- а также различные устройства типа преобразователей.
Работа постоянного тока
Каковы его главные характеристики? Это работа и мощность тока, причем оба эти понятия очень тесно связаны друг с другом. Мощность подразумевает под собой скорость работы в единицу времени (за 1 с). По закону Джоуля-Ленца получаем, что работа постоянного электрического тока равна произведению силы самого тока, напряжения и времени, в течение которого была совершена работа электрического поля по переносу зарядов вдоль проводника.
Так выглядит формула по нахождению работы тока с учетом закона Ома о сопротивлении в проводниках: A = I 2 *R*t (работа равна квадрату силы тока умноженному на значение сопротивления проводника и еще раз умноженному на значение времени, за которое совершалась работа).