TOE dla manekinów: podstawy elektrotechniki dla początkujących, środki bezpieczeństwa

Elektrotechnika jest jak język obcy. Ktoś już dawno i perfekcyjnie go opanował, ktoś dopiero zaczyna się poznawać, ale dla kogoś to wciąż nieosiągalny, ale pociągający cel. Dlaczego wielu chce poznać ten tajemniczy świat elektryczności? Znają go dopiero około 250 lat, ale dziś trudno wyobrazić sobie życie bez elektryczności. Aby poznać ten świat, istnieją teoretyczne podstawy elektrotechniki (TOE) dla manekinów.

Pierwsza znajomość z elektrycznością

Pod koniec XVIII wieku francuski naukowiec Charles Coulomb zaczął aktywnie badać zjawiska elektryczne i magnetyczne substancji. To on odkrył prawo ładunku elektrycznego, które nazwano jego imieniem - wisiorek.

Dziś wiadomo, że każda substancja składa się z atomów i elektronów krążących wokół nich po orbicie. Jednak w niektórych substancjach elektrony są bardzo ciasno trzymane przez atomy, podczas gdy w innych wiązanie to jest słabe, co pozwala elektronom swobodnie odrywać się od niektórych atomów i przyłączać się do innych.

Aby zrozumieć, co to jest, możesz sobie wyobrazić duże miasto z ogromną liczbą samochodów, które poruszają się bez żadnych zasad. Maszyny te poruszają się chaotycznie i nie mogą wykonywać użytecznej pracy. Na szczęście elektrony nie rozbijają się, lecz odbijają się od siebie jak kulki. Aby skorzystać z tych małych robotników, muszą być spełnione trzy warunki:

1. Atomy substancji muszą swobodnie oddawać swoje elektrony.
2. Do tej substancji musi być przyłożona siła, która spowoduje ruch elektronów w jednym kierunku.
3. Łańcuch, wzdłuż którego poruszają się naładowane cząstki, musi być zamknięty.

To właśnie przestrzeganie tych trzech warunków leży u podstaw elektrotechniki dla początkujących.

Stworzenie ogniwa elektrochemicznego

Wszystkie elementy zbudowane są z atomów. Atomy można porównać do Układu Słonecznego, tylko każdy układ ma własną liczbę orbit, a na każdej orbicie może znajdować się jednocześnie kilka planet (elektronów). Im dalej orbita znajduje się od jądra, tym mniej przyciągają elektrony na tej orbicie.

Przyciąganie nie zależy od masy jądra, ale z różnej polaryzacji jądra i elektronów. Jeśli jądro ma ładunek +10 jednostek, elektrony również powinny mieć łącznie 10 jednostek, ale ładunek ujemny. Jeśli elektron opuści orbitę zewnętrzną, to całkowita energia elektronów wyniesie już -9 jednostek. Prosty przykład dodawania +10 + (-9) = +1. Okazuje się, że atom ma ładunek dodatni.

Dzieje się również w drugą stronę: jądro silnie przyciąga i przechwytuje „obcy” elektron. Następnie na jego zewnętrznej orbicie pojawia się „dodatkowy”, 11. elektron. Ten sam przykład +10 + (-11) = -1. W takim przypadku atom będzie naładowany ujemnie.

Jeśli dwa materiały o przeciwnych ładunkach zostaną opuszczone do elektrolitu i połączone z nimi przewodem, na przykład żarówką, to w obwodzie zamkniętym popłynie prąd i zaświeci się światło. Jeśli obwód zostanie przerwany, na przykład przez przełącznik, światło zgaśnie.

Prąd elektryczny uzyskuje się w następujący sposób. Gdy elektrolit działa na jeden z materiałów (elektrodę), pojawia się w nim nadmiar elektronów i staje się on naładowany ujemnie. Przeciwnie, druga elektroda oddaje elektrony pod działaniem elektrolitu i staje się naładowana dodatnio. Każda elektroda jest odpowiednio oznaczona „+” (nadmiar elektronów) i „-” (brak elektronów).

Chociaż elektrony są naładowane ujemnie, elektroda oznacza „+”. To zamieszanie powstało w początkach elektrotechniki. W tamtym czasie uważano, że przeniesienie ładunku zachodzi z cząstkami dodatnimi. Od tego czasu powstało wiele schematów i aby ich nie zmieniać, zostawili wszystko tak, jak jest.

W ogniwach galwanicznych prąd elektryczny powstaje w wyniku reakcji chemicznej. Połączenie kilku elementów nazywa się baterią, taką zasadę można znaleźć w elektrotechnice dla „manekinów”. Jeśli możliwy jest proces odwrotny, gdy energia chemiczna gromadzi się w elemencie pod działaniem prądu elektrycznego, taki element nazywa się baterią.

Ogniwo galwaniczne zostało wynalezione przez Alessandro Voltę w 1800 roku. Użył płyt miedzianych i cynkowych zanurzonych w roztworze soli. Stało się to prototypem nowoczesnych akumulatorów i baterii.

Rodzaje i charakterystyka prądu

Po otrzymaniu pierwszej elektryczności zrodził się pomysł, aby tę energię przesłać na pewną odległość i tu pojawiły się trudności. Okazuje się, że elektrony przechodząc przez przewodnik tracą część swojej energii, a im dłuższy przewodnik, tym większe są te straty. W 1826 roku Georg Ohm ustanowił prawo, które określa zależność między napięciem, prądem i rezystancją. Brzmi on następująco: U = RI. Słowem okazuje się: napięcie jest równe iloczynowi natężenia prądu i rezystancji przewodu.

Z równania wynika, że ​​im dłuższy przewodnik, co zwiększa rezystancję, tym mniejszy będzie prąd i napięcie, a zatem moc będzie się zmniejszać. Nie można wyeliminować rezystancji, w tym celu konieczne jest obniżenie temperatury przewodnika do zera bezwzględnego, co jest możliwe tylko w warunkach laboratoryjnych. Prąd jest niezbędny do zasilania, więc nie można go również dotknąć, wystarczy zwiększyć napięcie.

Pod koniec XIX wieku był to problem nie do pokonania. Rzeczywiście, w tym czasie nie było żadnych elektrowni wytwarzających prąd przemienny, żadnych transformatorów. Dlatego inżynierowie i naukowcy zwrócili uwagę na radio, które jednak bardzo różniło się od nowoczesnego bezprzewodowego. Rządy różnych krajów nie dostrzegały korzyści z tych zmian i nie sponsorowały takich projektów.

Aby móc przekształcić napięcie, zwiększyć je lub zmniejszyć, potrzebny jest prąd przemienny. Jak to działa, można zobaczyć na poniższym przykładzie. Jeśli drut zostanie zwinięty w cewkę, a magnes zostanie w niej szybko przesunięty, w cewce pojawi się prąd przemienny. Można to sprawdzić, podłączając woltomierz ze znakiem zerowym pośrodku do końców cewki. Strzałka urządzenia będzie odchylać się w lewo iw prawo, co będzie wskazywać, że elektrony poruszają się w jednym kierunku, a potem w drugim.

Ta metoda wytwarzania energii elektrycznej nazywana jest indukcją magnetyczną. Znajduje zastosowanie np. w generatorach i transformatorach odbierających i zmieniających prąd. W swojej formie prądem przemiennym może być:

• sinusoidalny;
• impuls;
• wyprostowane.

Rodzaje przewodników

Pierwszą rzeczą, która wpływa na prąd elektryczny, jest przewodność materiału. Ta przewodność jest różna dla różnych materiałów. Wszystkie substancje można umownie podzielić na trzy typy:

• konduktor;
• półprzewodnik;
• dielektryk.

Przewodnikiem może być każda substancja, która swobodnie przepuszcza przez siebie prąd elektryczny. Należą do nich materiały twarde, takie jak metal lub półmetal (grafit). Ciecz - rtęć, stopione metale, elektrolity. Obejmuje również gazy zjonizowane.

Oparte na tym, przewodniki dzielą się na dwa rodzaje przewodności:

• elektroniczny;
• joński.

Przewodnictwo elektroniczne obejmuje wszystkie materiały i substancje, w których do wytworzenia prądu elektrycznego wykorzystywane są elektrony. Do pierwiastków tych należą metale i półmetale. Dobrze przewodzi prąd i węgiel.

W przewodnictwie jonowym rolę tę odgrywa cząstka z ładunkiem dodatnim lub ujemnym. Jon to cząstka z brakującym lub dodatkowym elektronem. Niektóre jony nie są niechętne wychwytywaniu „dodatkowego” elektronu, podczas gdy inne nie cenią elektronów i dlatego oddają je swobodnie.

W związku z tym takie cząstki mogą być naładowane ujemnie i dodatnio. Przykładem jest słona woda. Główną substancją jest woda destylowana, która jest izolatorem i nie przewodzi prądu. Po dodaniu soli staje się elektrolitem, czyli przewodnikiem.

Półprzewodniki zwykle nie przewodzą prądu, ale pod wpływem czynników zewnętrznych (temperatura, ciśnienie, światło itp.) zaczynają przepuszczać prąd, chociaż nie tak dobrze jak przewodniki.

Wszystkie inne materiały, które nie są zawarte w pierwszych dwóch typach, należą do dielektryków lub izolatorów. W normalnych warunkach praktycznie nie przewodzą prądu elektrycznego. Wynika to z faktu, że na orbicie zewnętrznej elektrony są bardzo mocno utrzymywane na swoich miejscach i nie ma miejsca na inne elektrony.

Używane komponenty radiowe

Studiując elektrykę dla „manekinów”, należy pamiętać, że używane są wszystkie wymienione wcześniej rodzaje materiałów. Przewody służą przede wszystkim do łączenia elementów obwodów (w tym mikroukładów). Mogą podłączyć źródło zasilania do obciążenia (jest to na przykład kabel z lodówki, okablowanie elektryczne itp.). Wykorzystywane są do produkcji cewek, które z kolei mogą być używane w niezmienionej postaci, na przykład na płytkach drukowanych lub w transformatorach, generatorach, silnikach elektrycznych itp.

Dyrygenci są najliczniejsi i najróżniejsi. Z nich wykonane są prawie wszystkie komponenty radiowe. Aby otrzymać warystor, można na przykład zastosować pojedynczy półprzewodnik (węglik krzemu lub tlenek cynku). Istnieją części zawierające przewodniki o różnych rodzajach przewodności, na przykład diody, diody Zenera, tranzystory.

Bimetale zajmują specjalną niszę. Jest to połączenie dwóch lub więcej metali, które mają różne stopnie ekspansji. Gdy taka część jest podgrzewana, odkształca się z powodu różnej procentowej ekspansji. Stosowany jest zwykle w zabezpieczeniach nadprądowych, np. do ochrony silnika elektrycznego przed przegrzaniem lub wyłączenia urządzenia po osiągnięciu zadanej temperatury, jak w żelazku.

Dielektryki pełnią głównie funkcję ochronną (na przykład izolujące uchwyty elektronarzędzi). Pozwalają również odizolować elementy obwodu elektrycznego. Płytka drukowana, na której montowane są elementy radiowe, wykonana jest z dielektryka. Przewody cewki pokryte są lakierem izolacyjnym, który zapobiega zwarciom między zwojami.

Środki bezpieczeństwa

Jednak dielektryk staje się półprzewodnikiem po dodaniu przewodnika i może przewodzić prąd. To samo powietrze staje się przewodnikiem podczas burzy. Suche drzewo nie przewodzi dobrze elektryczności, ale jeśli zmoknie, nie będzie już bezpieczne.

Prąd elektryczny odgrywa ogromną rolę w życiu współczesnego człowieka, ale z drugiej strony może być śmiertelny. Bardzo trudno go wykryć np. w przewodzie leżącym na ziemi, wymaga to specjalnych urządzeń i wiedzy. Dlatego podczas korzystania z urządzeń elektrycznych należy zachować najwyższą ostrożność.

Ciało ludzkie składa się głównie z wodyale to nie jest woda destylowana, która jest dielektrykiem. Dlatego w przypadku elektryczności ciało staje się prawie przewodnikiem. Podczas porażenia prądem mięśnie kurczą się, co może prowadzić do zatrzymania akcji serca i niewydolności oddechowej. Przy dalszym działaniu prądu krew zaczyna się gotować, następnie ciało wysycha i wreszcie karbonizacja tkanek. Pierwszą rzeczą do zrobienia jest zatrzymanie prądu, w razie potrzeby udzielenie pierwszej pomocy i wezwanie lekarzy.

W naturze powstaje napięcie statyczne, ale najczęściej nie stanowi zagrożenia dla ludzi, z wyjątkiem piorunów. Ale może być niebezpieczny dla obwodów lub części elektronicznych. Dlatego podczas pracy z mikroukładami i tranzystorami polowymi używają uziemionych bransoletek.