Как правильно утопить радиатор отопления в стену
Если вы решили спрятать радиатор в нишу или стену, значит на то есть причины. Но как правильно утопить батареи в стену? Не будут ли ли они хуже греть? Что посоветуют специалисты?
В некоторых домах и квартирах изначально запланирована ниша для радиатора отопления, что позволяет сэкономить место. Но что делать, если такой вариант не предусмотрен? В этой статье мы расскажем, как правильно утопить трубы и батареи в стену, чтобы избежать теплопотерь. Настоятельно рекомендуем прочитать советы экспертов в конце статьи!
Стоит ли прятать батарею в стену?
Считается что радиатор, утопленный в наружной стене, отдает много тепла на улицу. Такое может быть только в том случае, если стенка тонкая и недостаточно утеплена. При правильной теплоизоляции теплопотерь практически не будет.
Считается что расположение радиатора в нише мешает естественной конвекции. Отчасти это так, но, если подобрано правильное место расположения и размеры ниши, ничто не помешает нормальной циркуляции нагретого воздуха.
Размер ниши под радиатор
Есть два варианта расположения батареи в нише – когда он немного выступает относительно стены внутрь помещения, и когда находится заподлицо с ней или глубже. Какой из них выбрать – зависит от толщины стены.
Обустройство ниши под окном не несет опасности для конструкции здания. Если делать нишу в наружной несущей стене – стоит проконсультироваться со специалистом. От толщины и материала, а также от испытываемой нагрузки, зависит, как глубоко можно утопить батарею отопления в стену. Не стоит забывать, что от толщины и материала стены зависит, какой вес она сможет выдержать. Например, вес чугунного радиатора не позволит его установить на перегородке толщиной в полкирпича.
Глубина ниши должна быть такой, чтобы за батареей поместился теплоотражающий экран или слой хорошего утеплителя. Расстояние от него до радиатора должно быть не менее 2 см.
Если стенка наружная, то утеплить стоит верх и боковины ниши. Для этого подойдет пенополистирол, пенопласт или аналогичный материал толщиной 2-3 см.
Он не столько утеплит нишу, сколько не позволит нагретому воздуху охлаждаться.
Наличие экрана позволит существенно повысить производительность тепловой энергии радиатором. Многие считают, что батареи греют так, как указано в спецификации или инструкции изготовителя. На деле же реальная мощность радиатора ниже указанной в техпаспорте.
Расстояние от пола до батареи должно быть не менее 5 см. Но лучше сделать его большим, чтобы удобнее было убирать пыль и мыть полы.
Важно
Мы приводим минимальные расстояния, но чем они больше – тем лучше. Ниша под батарею в стене должна быть такой, чтобы воздух свободно циркулировал. Небольшие расстояния между радиатором и стенкой помешают естественной конвекции.
Полностью утопленная в стену батарея
- Не менее 10 см для радиатора без отсекателей воздуха;
- Не менее 5 см для радиатора с отсекателями воздуха.
Расстояние до боковых стенок не менее 5 см, но желательно порядка 10 см.
Как вариант, можно сделать откосы под 45 градусов, но внешне они смотрятся не так привлекательно.
Выступающий радиатор
Если батарея выступает из ниши, расстояние до ее верхней части должно быть:
- Не менее 5 см для радиатора без отсекателей воздуха;
- Не менее 3 см для радиатора с отсекателями воздуха.
Расстояние до боковых стенок должно быть 3-8 см, в зависимости от того, насколько утоплен радиатор. Примерно можно рассчитатьт так — глубина ниши от основной стены должна быть такой же, как расстояние от боковых перьев радиатора. Но минимальных 3 см необходимо оставить в любом случае.
Как утопить трубы отопления в стену
Многие считают, что утапливать трубы в стену – слишком опасно. Но если все сделать правильно, то проблем можно избежать.
Используйте только качественные и долговечные материалы, а монтаж не доверяйте кому ни попадя.
Если магистраль расположена внутри стены, к ней не так просто добраться.
Все материалы имеют свойство расширяться и сужаться при колебаниях температуры. Поэтому трубы отопления нельзя цементировать или замазывать штукатуркой – они будут быстро изнашиваться, а стыки и соединения будут обрываться.
Трубы должны быть покрыты качественной теплоизоляцией, чтобы избежать потерь тепла. Предпочтительно использовать материалы с верхним теплоотражающим экраном из металлической фольги.
Закрывать штробу лучше всего гипсокартоном, чтобы при необходимости можно было легко добраться до магистрали.
Установка радиаторов во внутренних стенах
Внутренние стенки и перегородки имеют меньшую толщину, чем наружные и несущие стены. Поэтому при установке радиатора нет опасности ослабления общей конструкции дома.
При обустройстве теплового экрана с тыльной стороны батареи могут возникнуть проблемы – иногда стены довольно тонкие и придется просто зашивать заднюю стенку.
Лучше всего использовать для этого пенополистирол.
Как правило, утопленный в перегородку радиатор отдает часть тепла в смежное помещение. Соответственно, нужно подбирать количество секций и место расположения. Для этого вы можете воспользоваться онлайн-калькулятором подсчета количества секций радиатора.
Проблемы коснутся и звукоизоляции. Чтобы ее улучшить, можно использовать специальные многослойные композитные звукопоглощающие материалы. Поэтому при расчете глубины ниши учтите толщину звукоизоляции.
В некотоых случаях имеет смысл визуально спрятать батарею, а не устанавливать ее внутри стены.
Как правильно утопить батарею в стену — рекомендации специалистов
Ремонт и обслуживание батареи, которая утоплена в стену – сложнее, чем обычной. Поэтому используйте только долговечные радиаторы, монтажные детали, трубы, вентили и т.д.
Если при обустройстве ниши в бетонной стене вы наткнулись на арматуру – не срезайте ее, лучше сделайте нишу меньшей глубины и подберите более тонкий радиатор.
Несмотря на то, что радиатор утоплен в стену, он должен иметь свободный доступ воздуха. Поэтому нельзя закрывать его мебелью, бытовыми приборами и т.д.
Если вы обустраиваете нишу для радиатора отопления под окном, широкий подоконник нарушит конвекцию воздуха. Можно сделать отверстия в подоконнике и закрыть их декоративной решеткой, либо подобрать батарею с большей теплоотдачей и количеством секций.
Для звуко- и теплоизоляции радиаторов, утопленных во внутренние стены, можно использовать специальные композитные плиты. Они позволят сэкономить пространство и утопить радиатор в стену поглубже.
Плиты, которые выполняют функции тепло- и звукоизоляции — идеальное решение при установке радиатора в межкомнатной перегородке.Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!
Радиаторы отопления: как выбрать правильные и грамотно организовать замену батарей? — Батареи отопления — Тепло — Статьи и исследования
25.11.2013
Тепло / Батареи отопления
Основная забота домовладельца в зимний период – обогреть своё жилище.
И совершенно неважно, роскошный особняк это или старая «хрущёвка». Всем хочется тепла. Иногда для этого нужно поменять радиаторы отопления. Перечислим вкратце основные ситуации, когда придётся этим заняться.- В квартире стало холодно. Батареи имеют свойство со временем засоряться, что ухудшает циркуляцию теплоносителя и отдачу тепла. Или изначально количество секций было маловато для комнаты и в ней всегда было прохладно. Выход в замене радиаторов, так как подобрать точно такие же для увеличения их объёма довольно проблематично.
- Обратная ситуация – в комнатах зимой жарко. Значит, число секций превышает потребности помещения. Врезаем в трубу кран-регулятор и заодно полностью меняем батареи на более современные.
- В квартире сделан «евроремонт», и старая «чугунина» больше никак не вписывается в интерьер. Конечно, можно закрыть её декоративным экраном, но если он неметаллический, то будет «отнимать» много тепла, поэтому эффективнее поменять радиаторы отопления.
Типы радиаторов отопления
Чтобы правильно выбрать новую батарею, надо ознакомиться с основными типами отопительных приборов, реализуемых сегодня торговлей.
Расположим их в порядке уменьшения рейтинга, составленного с учётом всех потребительских свойств (надёжность, долговечность, теплоотдача и цена).
— лидируют современные чугунные радиаторы. Они взяли от своих предшественников из советского прошлого (МС-140) только лучшие качества и теперь по дизайну почти неотличимы от самых модных биметаллических. Высокая теплопроводность, устойчивость к составу теплоносителя, большое рабочее давление и полвека службы вместе с низкой ценой по праву ставят их на первое место.
— модные биметаллические приборы нового поколения находятся на 2 месте. Имея маленький (по сравнению с лидерами) вес и повышенную теплопередачу, они изготавливаются из двух разных металлов: алюминия и стали или меди. Лёгкий корпус, стойкие к перепадам давления трубы плюс специальная белая эмаль делают эти батареи отличным выбором. Недостатком является высокая цена.
— панельные радиаторы отопления, несмотря на свою популярность за границей, у нас прижились плохо.
— стальные радиаторы считаются малоинерционными за счёт тонких стенок, поэтому быстро нагреваются, но имеют малый срок службы (ржавеют уже через три-четыре года). У них такой же коэффициент теплопроводности как и у чугунных, не очень отличается и высокий вес.
— в конце перечня расположились отопительные конвекторы. У данных приборов самый примитивный дизайн, небольшой вес и низкая теплопередача. К достоинствам можно отнести невысокую цену.
Особняком стоят вакуумные радиаторы отопления. Являясь новым словом в отоплении, суперпроводящие батареи делают из углеродистой стали, наполняя литиево-бромидной жидкостью. Главная их особенность заключается в том, что горячая вода (теплоноситель) не контактирует с корпусом, а поступает только в трубу, расположенную в основании батареи. Там она нагревает специальную жидкость, от которой и нагревается металл радиатора. К преимуществам вакуумных радиаторов относят снижение объёма и давления теплоносителя, его невысокую температуру, отсутствие завоздушивания системы и высокую экономичность.
Сколько нужно секций радиаторов отопления?
После того, как подходящий радиатор выбран, нужно рассчитать, сколько их необходимо для комнаты. Естественно, что данный этап лучше поручить специалистам, так как при получении согласования в управляющей компании нужно будет доказать, что именно это количество секций не нарушит тепловой баланс жилого дома. Профессионалы учтут материал наружных стен, их толщину, тип и размер окон, климатические особенности и многое другое.
Естественно, существуют упрощённые методы, позволяющие самостоятельно приблизительно прикинуть число секций. СНиП определяют, что для обогрева 1 м² нужна батарея с мощностью в 100 ватт. Следовательно, умножаем площадь помещения на 100 и делим на мощность одной секции. Как правило, она колеблется в пределах 120-200 ватт (точное значение написано на упаковке). Полученное число и будет количеством для квартиры с высотой потолка 2,7 м. Для комнат с более высоким потолком применяем повышающий коэффициент равный отношению фактической высоты и нормы (3,2 м / 2,7 м = 1,185).
Для углового помещения также есть коэффициент – 1,2.
Есть и совсем простые варианты расчёта. Например, утверждается, что чугунная секция может обогреть 1 м² , а одна алюминиевая – 2 метра. Значит, для комнаты в 20 м² надо или 20 чугунных секций, или 10 алюминиевых. Правда есть батареи, которые не делятся на секции, а выпускаются готовыми изделиями, поэтому для них подобные расчёты неприменимы. Помните, что при ошибке в самостоятельных расчётах может статься, что в комнате будет по-прежнему холодно или, наоборот, жарко.
Как менять радиаторы отопления?
После того, как все расчёты сделаны, а секции приобретены, перед жильцами встают практические вопросы, ответы на которые они не знают. Первым делом нужно узнать, как и кто должен согласовать замену батарей. Обычно это делает управляющая организация, которая обслуживает данный многоквартирный дом. Её работники обязаны контролировать все работы, связанные с переустройством общедомового имущества. Они проверят, не нарушат ли тепловой баланс новые радиаторы, так как это чревато различными неприятностями (не исключая аварии) для всех жильцов и выдадут технические условия.
Потом необходимо найти тех, кто должен демонтировать старые отопительные приборы и установить новые. Можно обратиться в обслуживающую организацию или к частному мастеру, который пообещает всё сделать сам. При этом необходимо понимать, что редко кто может сделать это в одиночку качественно и надёжно. За аварию из-за неправильно установленных радиаторов потом придётся отвечать хозяину квартиры.
Лучше найти специализированную компанию, что часто более выгодно и качественно. Кстати, представители такой фирмы помогут и с согласованием вопросов, и с быстрым получением технических условий в ЖКХ. Кроме этого, они со знанием дела подберут подходящую к радиаторам запорную арматуру и прочие комплектующие, договорятся с управляющей компанией о сливе воды из стояка по минимальной цене и избавят от прочих хлопот.
Подведём итоги. Для того чтобы поменять радиаторы отопления есть два пути: самостоятельный и с помощью профессионалов, которые занимаются этим постоянно. Напомним их основные различия.
При самостоятельном выборе радиаторов можно допустить ошибку и выбрать заведомо неподходящие для внутридомовой системы отопления приборы, основываясь на их дизайне, внешней привлекательности или цене. Расчёт количества секций своими руками может быть очень приблизительным и неточным, что приведёт к проблемам при согласовании в ДЭЗе или ТСЖ. Самовольный слив общего стояка отопления (особенно зимой) приведёт к огромному штрафу. Монтаж новых батарей знакомым умельцем вполне может окончиться заливом кипятком соседей снизу и крупными финансовыми потерями.
Чтобы избежать этих неприятностей – выбирайте квалифицированных работников специализированных фирм!
Почему батареи в квартирах устанавливают под окном? Что будет, если их перенести?
Замечали ли вы, что в квартирах чаще всего батареи находятся под окнами? Задумывались ли почему так?
А если вы бывали за границей, то могли заметить, что, например, в Италии очень часто радиаторы находятся на выходе из квартиры, почему же там делают так, а у нас по-другому? И можно ли все-таки радиатор переносить?
Решила разобраться в вопросе.
Еще из школьного курса физики можно вспомнить, что стекло холоднее, чем собственно стена, в которой окно находится. Разница в температурах в несколько раз. Из того же курса можно вспомнить, что теплый воздух всегда поднимается вверх, а холодный опускается к полу.
Эти два факта создают некоторые проблемы зимой. От стекла (по отношению к стене) как бы идет холод, он охлаждает воздух, и тот «сползает» вниз, в сторону подоконника.
Дальше вариантов несколько (зависит от многих условий).
Либо холодный воздух от подоконника начнет движение в сторону комнаты, либо опустится вниз, к полу.
В любом случае это создает неприятное ощущение — либо холод по полу, либо может создаваться ощущение, что из окна дует. Опять же, конденсат, сырость, «плачущие окна» и т.д. Поэтому в России радиаторы ставят по окном, а подоконник делают немного уже. В итоге воздух скользит вниз, но его выталкивает тепло от батареи.
И всем хорошо.
Не трудно догадаться, что в Италии (и некоторых других странах) такая проблема ощущается не так остро из-за теплого климата и небольшой разницы температур внутри и снаружи, поэтому в домах можно встретить радиаторы на входе или на какой-то рандомной стене.
Но значит ли это, что в России невозможно перенести радиатор, чтобы это не сказалось на микроклимате в квартире?
На самом деле, все очень индивидуально и зависит от региона и стеклопакета. Дело в том, что существует такое понятие как «точка росы» — это температура при которой начинает появляться конденсат.
Она зависит от влажности в квартире, от влажности на улице, от температуры на улице, температуры в квартире, и от того, насколько холоднее у нас в окне стекло.
Например, в большинстве регионов средней полосы России в квартирах воздух суше, чем прописано в нормативах (едва ли около 40% влажности), за окном редко холоднее -20, и если окна достаточно качественные, то конденсат не будет появляться на них, если батарею перенести в другую часть квартиры.
И ничего такого уж очень страшного не случится.
Но стоит понимать, что в более северных регионах, действительно, перенос батареи может быть ощутимым, привести и к плесени, и к ощущению холода у окна.
сокращений и преобразований — Battery University
Узнайте о сокращениях, связанных с батареями, и воспользуйтесь преобразованиями.
| $ | Доллар в валюте США (курс примерно на первый квартал 2016 г.) |
| 18650 | Литий-ионная цилиндрическая ячейка размером 18 мм x 65 мм |
| А | Ампер (электрический) |
| AAMI | Ассоциация развития медицинских инструментов |
| A4WP | Альянс за беспроводное питание |
| AC | Переменный ток |
| ACA | Дополнительные адаптеры для зарядки, используемые для зарядки аккумуляторов от USB-порта |
| ADAC | Allgemeiner Deutscher Automobil-Club (Немецкий автомобильный клуб) |
| AEDLC | Асимметричный электрохимический двухслойный конденсатор |
| АФК | Щелочной топливный элемент |
| AGM | Абсорбирующий стеклянный коврик (батарея) |
| АГВ | Автомобиль с автоматическим управлением |
| Ач | Ампер-час; аккумулятор обеспечивает энергию в течение определенного времени |
| ALPA | Ассоциация пилотов авиалиний |
| ANSI | Американский национальный институт стандартов |
| ВСУ | Вспомогательная силовая установка |
| ASoC | Абсолютная зарядка |
| ASoH | Абсолютное самочувствие |
| БАПКО | Корпорация производительности бизнес-приложений |
| Бар | Единица давления; 1 бар = 100кПа; 1 полоса = 14. 503 фунтов на квадратный дюйм |
| баррелей | Измерения жидкости, 1 баррель = 42 галлона США (35 британских галлонов |
Батарейные блоки — Battery University
Узнайте о составе трех наиболее распространенных аккумуляторов и о том, как они служат нашему обществу.
Электрохимическая батарея состоит из катода, анода и электролита, которые действуют как катализатор. При зарядке на поверхности раздела катод / электролит образуется скопление положительных ионов.Это приводит к движению электронов к катоду, создавая потенциал напряжения между катодом и анодом. Освобождение происходит путем прохождения тока от положительного катода через внешнюю нагрузку и обратно к отрицательному аноду. При зарядке ток течет в обратном направлении.
Батарея имеет два отдельных пути; один представляет собой электрическую цепь, по которой протекают электроны, питая нагрузку, а другой — путь, по которому ионы перемещаются между электродами через разделитель, который действует как изолятор для электронов.
Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели электроны и стали электрически заряженными. Сепаратор электрически изолирует электроды, но допускает движение ионов.
Анод и катод
Электрод батареи, высвобождающий электроны во время разряда, называется анодом ; Электродом, поглощающим электроны, является катод .
Анод батареи всегда отрицательный, а катод положительный. Это, по-видимому, нарушает соглашение, поскольку анод является клеммой, по которой течет ток.Электронная лампа, диод или аккумулятор на зарядке следуют этому порядку; однако отключение питания от батареи при разряде поворачивает анод отрицательным. Поскольку аккумулятор представляет собой электрическое накопительное устройство, обеспечивающее энергию, анод аккумулятора всегда отрицательный.
Литий-ионный анод — угольный (см. BU-204: Как работают литиевые батареи?), Но для литий-металлических батарей порядок обратный. Здесь катод — углерод, а анод — металлический литий (см.
BU-212: «Батареи будущего»). За некоторыми исключениями, литий-металлические батареи не подлежат перезарядке.
| Символ батареи Катод батареи положительный; анод отрицательный. |
Таблицы 1a, b, c и d суммируют состав вторичных батарей на основе свинца, никеля и лития, включая первичные щелочные.
| Свинцово-кислотный | Катод (положительный) | Анод (отрицательный) | Электролит |
|---|---|---|---|
| Материал | Диоксид свинца (шоколадно-коричневый) | Серый свинец (при образовании губчатый) | Серная кислота |
| Полная зарядка | Оксид свинца (PbO 2 ), электроны добавлены к положительной пластине | Свинец (Pb), электроны удалены с пластины | Сильная серная кислота |
| Выпущено | Свинец превращается в сульфат свинца на отрицательном электроде, электроны перемещаются от положительной пластины к отрицательной пластине | ||
Объяснение номеров деталей аккумуляторной батареи для мотоцикла
Этот пост содержит разбивку номеров деталей необслуживаемых, гелевых и свинцово-кислотных аккумуляторных батарей для мотоциклов.
Номера деталей аккумуляторных батарей для мотоциклов являются обычно используемыми примерами номеров деталей аккумуляторных батарей для мотоциклов с кратким объяснением значений букв и цифр.
Необслуживаемые батареи
| Ссылка на аккумулятор (YTX12-BS) | Что означает ссылка |
| Y | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| т | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| х | Высокопроизводительный аккумулятор |
| 12 | Индикация уровня заряда батареи (меньшие числа соответствуют меньшей выходной мощности) |
| – | |
| B | Тип терминала или поставляется с баллоном из-под кислоты |
| S | Герметичный аккумулятор или поставляется с баллоном с кислотой |
| Ссылка на аккумулятор (YTX14L-BS) | Что означает ссылка |
| Y | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| т | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| х | Высокопроизводительный аккумулятор |
| 14 | Индикация уровня заряда батареи (меньшие числа соответствуют меньшей выходной мощности) |
| л | Расположение полярности (куда заходят клеммы) |
| – | |
| B | Тип терминала или поставляется с баллоном из-под кислоты |
| S | Герметичный аккумулятор или поставляется с баллоном с кислотой |
Гелевые батареи
| Номер батареи (YTZ12-S) | Что означает ссылка |
| Y | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| т | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| Z | Высокопроизводительный аккумулятор |
| 12 | Индикация уровня заряда батареи (меньшие числа соответствуют меньшей выходной мощности) |
| – | |
| S | Расположение полярности (в каком направлении проходят клеммы) и конфигурация |
| Номер батареи (YT7B-4) | Что означает ссылка |
| Y | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| т | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| 7 | Индикация уровня заряда батареи (меньшие числа соответствуют меньшей выходной мощности) |
| B | |
| – | |
| 4 | Расположение полярности (в каком направлении проходят клеммы) и конфигурация |
| Ссылка на аккумулятор (YT7B-BS) | Что означает ссылка |
| Y | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| т | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| 7 | Индикация уровня заряда батареи (меньшие числа соответствуют меньшей выходной мощности) |
| B | |
| – | |
| B | Тип терминала или поставляется с баллоном из-под кислоты |
| S | Герметичный аккумулятор или поставляется с баллоном с кислотой |
Свинцово-кислотные батареи 12 В
| Номер батареи (YB16AL-A2) | Что означает ссылка |
| ЯБ | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| 16 | Индикация уровня заряда батареи (меньшие числа соответствуют меньшей выходной мощности) |
| А | Обозначает другой размер батареи той же емкости |
| л | Расположение полярности |
| – | |
| А | Расположение отверстия для выпуска отработанных газов |
| 2 | Тип клеммы |
| Номер батареи (Y50-N18L-A2) | Что означает ссылка |
| Y | Марка производителя, разные производители используют разные буквы |
| 50 | Мощность проворачивания или пуска (большее число означает большую мощность) |
| – | |
| N | Батарея вентилируемого типа |
| 18 | Индикация уровня заряда батареи (меньшие числа соответствуют меньшей выходной мощности) |
| л | Расположение полярности |
| – | |
| А | Расположение отверстия для выпуска отработанных газов |
| 2 | Тип клеммы |
| Номер батареи (12N12A-4A-1) | Что означает ссылка |
| 12 | Напряжение аккумулятора |
| N | Батарея вентилируемого типа |
| 12 | Емкость аккумулятора при скорости 10 часов |
| А | Обозначает другой размер батареи той же емкости |
| – | |
| 4 | Расположение полярности |
| А | Расположение отверстия для выпуска отработанных газов |
| – | |
| 1 | Тип клеммы |
Свинцово-кислотные батареи 6 В
| Номер батареи (6N2-2A-1) | Что означает ссылка |
| 6 | Напряжение аккумулятора |
| N | Батарея вентилируемого типа |
| 2 | Емкость аккумулятора при скорости 10 часов |
| – | |
| 2 | Расположение полярности |
| А | Расположение отверстия для выпуска отработанных газов |
| – | |
| 8 | Тип клеммы |
Заявление об ограничении ответственности:
Информация, представленная на этой странице, является «насколько нам известно» и не должна рассматриваться как 100% точная !!
Чтобы эта страница оставалась бесплатным ресурсом для людей, в статье есть партнерские ссылки (в основном Amazon).
Эти партнерские ссылки помогают поддерживать стоимость ведения этого блога (в основном, если вы посетите Amazon по одной из ссылок и что-то купите, мы заработаем несколько пенсов!).
Зависимость переменного тока (AC) от постоянного (DC)
Поразительно!
Откуда австралийская рок-группа AC / DC получила свое название? Почему, переменный ток и постоянный ток, конечно же! И переменный, и постоянный ток описывают типы протекания тока в цепи.В постоянного тока (DC) электрический заряд (ток) течет только в одном направлении. Электрический заряд в переменном токе (AC), напротив, периодически меняет направление. Напряжение в цепях переменного тока также периодически меняется на противоположное, потому что ток меняет направление.
Большая часть создаваемой вами цифровой электроники будет использовать постоянный ток. Однако важно понимать некоторые концепции переменного тока.
Большинство домов подключены к сети переменного тока, поэтому, если вы планируете подключить свой проект музыкальной шкатулки Tardis к розетке, вам нужно будет преобразовать переменный ток в постоянный.Переменный ток также обладает некоторыми полезными свойствами, такими как способность преобразовывать уровни напряжения с помощью одного компонента (трансформатора), поэтому переменный ток был выбран в качестве основного средства передачи электроэнергии на большие расстояния.
Что вы узнаете
- История создания переменного и постоянного тока
- Различные способы генерации переменного и постоянного тока
- Некоторые примеры приложений переменного и постоянного тока
Рекомендуемая литература
и nbsp
и nbsp
Переменный ток (AC)
Переменный ток описывает поток заряда, который периодически меняет направление.В результате уровень напряжения также меняется на противоположный вместе с током.
AC используется для подачи электроэнергии в дома, офисные здания и т. Д.
Генератор переменного тока
переменного тока может производиться с использованием устройства, называемого генератором переменного тока. Это устройство представляет собой особый тип электрического генератора, предназначенный для выработки переменного тока.
Петля из проволоки скручена внутри магнитного поля, которое индуцирует ток по проволоке. Вращение провода может происходить с помощью любого количества средств: ветряной турбины, паровой турбины, проточной воды и так далее.Поскольку провод вращается и периодически меняет магнитную полярность, напряжение и ток на проводе чередуются. Вот короткая анимация, демонстрирующая этот принцип:
(Видео предоставлено: Хуррам Танвир)
Генератор переменного тока можно сравнить с нашей предыдущей аналогией с водой:
Чтобы генерировать переменный ток в наборе водопроводных труб, мы подключаем механический кривошип к поршню, который перемещает воду по трубам вперед и назад (наш «переменный» ток).
Обратите внимание, что защемленный участок трубы по-прежнему оказывает сопротивление потоку воды независимо от направления потока.
Формы сигналов
AC может быть разных форм, если напряжение и ток чередуются. Если мы подключим осциллограф к цепи переменного тока и построим график ее напряжения с течением времени, мы можем увидеть несколько различных форм сигналов. Наиболее распространенный тип переменного тока — синусоидальный. Переменный ток в большинстве домов и офисов имеет колебательное напряжение, которое создает синусоидальную волну.
Другие распространенные формы переменного тока включают прямоугольную волну и треугольную волну:
Прямоугольные волны часто используются в цифровой и переключающей электронике для проверки их работы.
Треугольные волны используются при синтезе звука и используются для тестирования линейной электроники, такой как усилители.
Описание синусоидальной волны
Мы часто хотим описать форму волны переменного тока в математических терминах.
В этом примере мы будем использовать обычную синусоидальную волну. Синусоидальная волна состоит из трех частей: амплитуда, частота и фаза .
Рассматривая только напряжение, мы можем описать синусоидальную волну как математическую функцию:
V (t) — это наше напряжение как функция времени, что означает, что наше напряжение изменяется с изменением времени. Уравнение справа от знака равенства описывает, как напряжение изменяется во времени.
V P — амплитуда . Это описывает максимальное напряжение, которое наша синусоида может достигать в любом направлении, что означает, что наше напряжение может быть + V P вольт, -V P вольт или где-то посередине.
Функция sin () указывает, что наше напряжение будет в форме периодической синусоидальной волны, которая представляет собой плавные колебания около 0 В.
2π — это константа, которая преобразует частоту из циклов (в герцах) в угловую частоту (радианы в секунду).
f описывает частоту синусоидальной волны. Это дается в виде герц или единиц в секунду . Частота показывает, сколько раз определенная форма волны (в данном случае один цикл нашей синусоидальной волны — подъем и спад) происходит в течение одной секунды.
t — наша независимая переменная: время (измеряется в секундах). Со временем меняется и форма нашего сигнала.
φ описывает фазу синусоидальной волны. Фаза — это мера того, насколько сдвинута форма сигнала во времени. Часто это число от 0 до 360 и измеряется в градусах. Из-за периодической природы синусоидальной волны, если форма волны сдвинута на 360 °, она снова становится такой же, как если бы она была сдвинута на 0 °.Для простоты мы предполагаем, что в остальной части этого руководства фаза равна 0 °.
Мы можем обратиться к нашей надежной розетке за хорошим примером того, как работает форма сигнала переменного тока.
В Соединенных Штатах в наши дома подается питание переменного тока с размахом 170 В (амплитуда) и 60 Гц (частота). Мы можем вставить эти числа в нашу формулу, чтобы получить уравнение (помните, что мы предполагаем, что наша фаза равна 0):
Мы можем использовать наш удобный графический калькулятор, чтобы построить график этого уравнения. Если графического калькулятора нет, мы можем использовать бесплатную онлайн-программу для построения графиков, такую как Desmos (обратите внимание, что вам может потребоваться использовать «y» вместо «v» в уравнении, чтобы увидеть график).
Обратите внимание, что, как мы и предсказывали, напряжение периодически повышается до 170 В и понижается до -170 В. Кроме того, каждую секунду происходит 60 циклов синусоидальной волны. Если бы мы измеряли напряжение в розетках с помощью осциллографа, мы бы увидели именно это ( ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: не пытайтесь измерить напряжение в розетке с помощью осциллографа! Это может привести к повреждению оборудования).
ПРИМЕЧАНИЕ: Возможно, вы слышали, что напряжение переменного тока в США составляет 120 В. Это тоже правильно.Как? Говоря об переменном токе (поскольку напряжение постоянно меняется), часто проще использовать среднее или среднее значение. Для этого мы используем метод под названием «Среднеквадратичный корень». (RMS). Когда вы хотите рассчитать электрическую мощность, часто бывает полезно использовать значение RMS для переменного тока. Несмотря на то, что в нашем примере у нас было напряжение, изменяющееся от -170 В до 170 В, среднеквадратичное значение составляет 120 В RMS.
Приложения
В розетках дома и в офисе почти всегда есть кондиционер. Это связано с тем, что генерировать и транспортировать переменный ток на большие расстояния относительно просто.При высоком напряжении (более 110 кВ) при передаче электроэнергии теряется меньше энергии. Более высокие напряжения означают более низкие токи, а более низкие токи означают меньшее тепловыделение в линии электропередачи из-за сопротивления.
Переменный ток можно легко преобразовывать в высокое напряжение и обратно с помощью трансформаторов.
AC также может питать электродвигатели. Двигатели и генераторы представляют собой одно и то же устройство, но двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую (если вал двигателя вращается, на выводах генерируется напряжение!).Это полезно для многих крупных бытовых приборов, таких как посудомоечные машины, холодильники и т. Д., Которые работают от переменного тока.
Постоянный ток (DC)
Постоянный ток немного легче понять, чем переменный. Вместо того, чтобы колебаться вперед и назад, постоянный ток обеспечивает постоянное напряжение или ток.
Генерация постоянного тока
постоянного тока можно получить несколькими способами:
- Генератор переменного тока, оснащенный устройством, называемым «коммутатор», может производить постоянный ток
- Использование устройства, называемого «выпрямитель», которое преобразует переменный ток в постоянный ток
- Батареи обеспечивают постоянный ток, который генерируется в результате химической реакции внутри батареи
Используя нашу аналогию с водой снова, DC похож на резервуар с водой со шлангом на конце.
Бак может выталкивать воду только в одном направлении: из шланга. Как и в случае с нашей батареей постоянного тока, когда бак опустеет, вода больше не течет по трубам.
Описание DC
DC определяется как «однонаправленный» ток; ток течет только в одном направлении. Напряжение и ток могут изменяться с течением времени до тех пор, пока направление потока не меняется. Для упрощения предположим, что напряжение является постоянным. Например, мы предполагаем, что батарея AA обеспечивает 1.5 В, что математически можно описать как:
Если мы построим график с течением времени, мы увидим постоянное напряжение:
Что это значит? Это означает, что мы можем рассчитывать на то, что большинство источников постоянного тока обеспечат постоянное напряжение во времени. На самом деле батарея будет медленно терять заряд, а это означает, что напряжение будет падать по мере использования батареи. В большинстве случаев мы можем предположить, что напряжение постоянно.
Приложения
Почти все проекты электроники и запчасти, которые продаются на SparkFun, работают на DC.Все, что работает от батареи, подключается к стене с помощью адаптера переменного тока или использует USB-кабель для питания, зависит от постоянного тока. Примеры электроники постоянного тока включают:
- Сотовые телефоны
- D&D Dice Gauntlet на основе LilyPad
- Телевизоры с плоским экраном (переменный ток переходит в телевизор, который преобразуется в постоянный ток)
- Фонари
- Гибридные и электромобили
Битва течений
Почти каждый дом или офис подключен к сети переменного тока.Однако это решение не было мгновенным. В конце 1880-х годов различные изобретения в Соединенных Штатах и Европе привели к полномасштабной битве между распределением переменного и постоянного тока.
В 1886 году электрическая компания Ganz Works, расположенная в Будапеште, электрифицировала весь Рим с помощью переменного тока.
Томас Эдисон, с другой стороны, построил 121 электростанцию постоянного тока в Соединенных Штатах к 1887 году. Поворотный момент в битве наступил, когда Джордж Вестингауз, известный промышленник из Питтсбурга, в следующем году приобрел патенты Николы Теслы на двигатели переменного тока и трансмиссии. .
AC против DC
Томас Эдисон (Изображение любезно предоставлено biography.com)В конце 1800-х годов постоянный ток было нелегко преобразовать в высокое напряжение. В результате Эдисон предложил систему небольших местных электростанций, которые питали бы отдельные кварталы или участки города. Электроэнергия распределялась по трем проводам от электростанции: +110 вольт, 0 вольт и -110 вольт. Фонари и двигатели могут быть подключены между розеткой + 110 В или 110 В и 0 В (нейтраль). 110 В допускает некоторое падение напряжения между установкой и нагрузкой (дома, в офисе и т. Д.).).
Несмотря на то, что падение напряжения на линиях электропередачи было учтено, электростанции необходимо было располагать в пределах 1 мили от конечного пользователя.
Это ограничение сделало распределение электроэнергии в сельской местности чрезвычайно трудным, если не невозможным.
Используя патенты Tesla, компания Westinghouse работала над усовершенствованием системы распределения переменного тока. Трансформаторы предоставили недорогой метод повышения напряжения переменного тока до нескольких тысяч вольт и его снижения до приемлемого уровня. При более высоких напряжениях та же мощность могла передаваться при гораздо меньшем токе, что означало меньшие потери мощности из-за сопротивления проводов.В результате крупные электростанции могут быть расположены на много миль от них и обслуживать большее количество людей и зданий.
Кампания Эдисона по выявлению мазков
В течение следующих нескольких лет Эдисон провел кампанию по категорическому противодействию использованию AC в Соединенных Штатах, которая включала лоббирование законодательных собраний штатов и распространение дезинформации о AC. Эдисон также приказал нескольким техникам публично казнить животных переменным током, пытаясь показать, что переменный ток опаснее постоянного тока.
Пытаясь показать эти опасности, Гарольд П.Браун и Артур Кеннелли, сотрудники Edison, разработали первый электрический стул для штата Нью-Йорк с использованием переменного тока.
Возвышение AC
В 1891 году Международная электротехническая выставка проходила во Франкфурте, Германия, и показала первую передачу трехфазного переменного тока на большие расстояния, которая питала фары и двигатели на выставке. Присутствовали несколько представителей того, что впоследствии станет General Electric, и впоследствии они были впечатлены выставкой. В следующем году была создана компания General Electric, которая начала инвестировать в технологии переменного тока.
Электростанция Эдварда Дина Адамса в Ниагарском водопаде, 1896 г. (Изображение любезно предоставлено teslasociety.com) Westinghouse выиграла контракт в 1893 году на строительство плотины гидроэлектростанции, чтобы использовать энергию Ниагарского водопада и передавать переменный ток в Буффало, штат Нью-Йорк.
Проект был завершен 16 ноября 1896 года, и в Буффало начали использовать переменный ток. Эта веха ознаменовала упадок DC в США. В то время как Европа примет стандарт переменного тока 220–240 В при 50 Гц, стандартом в Северной Америке станет 120 В при 60 Гц.
Высоковольтный постоянный ток (HVDC)
Швейцарский инженер Рене Тюри в 1880-х годах использовал серию двигателей-генераторов для создания высоковольтной системы постоянного тока, которую можно было использовать для передачи постоянного тока на большие расстояния. Однако из-за высокой стоимости и высокой стоимости обслуживания систем Thury HVDC никогда не применялся в течение почти столетия.
С изобретением полупроводниковой электроники в 1970-х годах стало возможным экономичное преобразование между переменным и постоянным током. Для генерации постоянного тока высокого напряжения (иногда до 800 кВ) можно использовать специальное оборудование.Некоторые страны Европы начали использовать линии HVDC для электрического соединения различных стран.
HVDC потери меньше, чем в аналогичных линиях переменного тока на очень больших расстояниях. Кроме того, HVDC позволяет подключать различные системы переменного тока (например, 50 Гц и 60 Гц). Несмотря на свои преимущества, системы HVDC более дороги и менее надежны, чем обычные системы переменного тока.
В конце концов, Эдисон, Тесла и Вестингауз могут осуществить свои желания. Переменный ток и постоянный ток могут сосуществовать, и каждый служит определенной цели.
Ресурсы и движение вперед
Теперь вы должны хорошо понимать разницу между переменным и постоянным током. Переменный ток легче преобразовывать между уровнями напряжения, что делает передачу высокого напряжения более возможной. С другой стороны, постоянный ток присутствует почти во всей электронике. Вы должны знать, что они не очень хорошо сочетаются, и вам нужно будет преобразовать переменный ток в постоянный, если вы хотите подключить большую часть электроники к розетке.
С таким пониманием вы должны быть готовы заняться некоторыми более сложными схемами и концепциями, даже если они содержат переменный ток.
Взгляните на следующие руководства, когда будете готовы глубже погрузиться в мир электроники:
и nbsp
Что такое электричество? — learn.sparkfun.com
Добавлено в избранное Любимый 64Начало работы
Электричество окружает нас повсюду, питая такие технологии, как наши сотовые телефоны, компьютеры, фонари, паяльники и кондиционеры.В современном мире от этого трудно спастись. Даже когда вы пытаетесь избежать электричества, оно по-прежнему действует во всей природе, от молнии во время грозы до синапсов внутри нашего тела. Но что такое электричество? Это очень сложный вопрос, и по мере того как вы копаете глубже и задаете больше вопросов, на самом деле нет окончательного ответа, только абстрактные представления о том, как электричество взаимодействует с нашим окружением.
Электричество — это природное явление, которое встречается в природе и принимает множество различных форм.В этом уроке мы сосредоточимся на современной электроэнергии: на том, что питает наши электронные гаджеты. Наша цель — понять, как электричество течет от источника питания по проводам, зажигает светодиоды, вращающиеся двигатели и питает наши устройства связи.
Электричество кратко определяется как поток электрического заряда , , но за этим простым утверждением стоит так много всего. Откуда берутся обвинения? Как мы их перемещаем? Куда они переезжают? Как электрический заряд вызывает механическое движение или заставляет вещи загораться? Так много вопросов! Чтобы начать объяснять, что такое электричество, нам нужно приблизиться, за пределы материи и молекул, к атомам, которые составляют все, с чем мы взаимодействуем в жизни.
Этот учебник основан на некоторых базовых представлениях о физике, силе, энергии, атомах и [полей] (http://en.
wikipedia.org/wiki/Field_ (физика)) в частности. Мы рассмотрим основы каждой из этих физических концепций, но, возможно, также будет полезно обратиться к другим источникам.
Going Atomic
Чтобы понять основы электричества, нам нужно начать с рассмотрения атомов, одного из основных строительных блоков жизни и материи.Атомы существуют в более чем сотне различных форм в виде химических элементов, таких как водород, углерод, кислород и медь. Атомы многих типов могут объединяться, чтобы образовать молекулы, из которых состоит материя, которую мы можем физически увидеть и потрогать.
Атомы — это крошечных , максимальная длина которых составляет около 300 пикометров (это 3х10 -10 или 0,0000000003 метра). Медный пенни (если бы он действительно был сделан из 100% меди) имел бы 3,2х10 22 атома (3200000000000000000000000 атомов) меди внутри.
Даже атом недостаточно мал, чтобы объяснить работу электричества.
Нам нужно спуститься еще на один уровень и посмотреть на строительные блоки атомов: протоны, нейтроны и электроны.
Строительные блоки атомов
Атом состоит из трех различных частиц: электронов, протонов и нейтронов. У каждого атома есть центральное ядро, в котором протоны и нейтроны плотно упакованы вместе. Ядро окружает группа вращающихся электронов.
Очень простая модель атома. Это не масштабно, но полезно для понимания того, как устроен атом. Ядро ядра протонов и нейтронов окружено вращающимися электронами.
В каждом атоме должен быть хотя бы один протон. Число протонов в атоме важно, потому что оно определяет, какой химический элемент представляет собой атом. Например, атом с одним протоном — это водород, атом с 29 протонами — это медь, а атом с 94 протонами — это плутоний.Это количество протонов называется атомным номером атома .
Ядро-партнер протона, нейтроны, служат важной цели; они удерживают протоны в ядре и определяют изотоп атома.
Они не критичны для нашего понимания электричества, поэтому давайте не будем о них беспокоиться в этом уроке.
Электроны критически важны для работы электричества (обратите внимание на общую тему в их названиях?) В наиболее стабильном, сбалансированном состоянии атом будет иметь такое же количество электронов, что и протоны.Как и в модели атома Бора ниже, ядро с 29 протонами (что делает его атомом меди) окружено равным числом электронов.
По мере развития нашего понимания атомов развивались и наши методы их моделирования. Модель Бора — очень полезная модель атома при изучении электричества.
Не все электроны атома навсегда связаны с атомом. Электроны на внешней орбите атома называются валентными электронами. При наличии достаточной внешней силы валентный электрон может покинуть орбиту атома и стать свободным. Свободные электроны позволяют нам перемещать заряд, в чем и заключается вся суть электричества. Кстати о зарядке .
..
Текущие расходы
Как мы упоминали в начале этого урока, электричество определяется как поток электрического заряда. Заряд — это свойство материи, такое же как масса, объем или плотность. Это измеримо. Точно так же, как вы можете количественно определить, сколько у чего-то массы, вы можете измерить его заряд. Ключевой концепцией заряда является то, что он может быть двух типов: положительный (+) или отрицательный (-) .
Чтобы переместить заряд, нам нужно носителей заряда , и именно здесь наши знания об атомных частицах, в частности, об электронах и протонах, пригодятся. Электроны всегда несут отрицательный заряд, а протоны — положительно. Нейтроны (верные своему названию) нейтральны, у них нет заряда. И электроны, и протоны несут одинаковые заряда , только другого типа.
Модель атома лития (3 протона) с обозначенными зарядами.
Заряд электронов и протонов важен, потому что он дает нам возможность воздействовать на них силой.
Электростатическая сила!
Электростатическая сила
Электростатическая сила (также называемая законом Кулона) — это сила, действующая между зарядами. В нем говорится, что заряды одного типа отталкиваются друг от друга, а заряды противоположных типов притягиваются друг к другу. Противоположности привлекают, а лайки отталкивают .
Сумма силы, действующей на два заряда, зависит от того, как далеко они находятся друг от друга.Чем ближе подходят два заряда, тем больше становится сила (сдвигающая или отталкивающая).
Благодаря электростатической силе электроны отталкивают другие электроны и притягиваются к протонам. Эта сила является частью «клея», удерживающего атомы вместе, но это также инструмент, который нам нужен, чтобы заставить электроны (и заряды) течь!
Поток начислений
Теперь у нас есть все инструменты, чтобы заставить заряды течь. Электронов в атомах могут действовать как наши носители заряда , потому что каждый электрон несет отрицательный заряд.
Если мы можем освободить электрон от атома и заставить его двигаться, мы сможем создать электричество.
Рассмотрим атомную модель атома меди, одного из предпочтительных источников элементов для потока заряда. В сбалансированном состоянии медь имеет 29 протонов в ядре и такое же количество электронов, вращающихся вокруг нее. Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра атома. Электроны, расположенные ближе к ядру, испытывают гораздо более сильное притяжение к центру, чем электроны на далеких орбитах. Крайние электроны атома называются валентными электронами , для их освобождения от атома требуется наименьшее количество силы.
Это диаграмма атома меди: 29 протонов в ядре, окруженные полосами вращающихся электронов. Электроны, расположенные ближе к ядру, трудно удалить, в то время как валентный электрон (внешнее кольцо) требует относительно небольшой энергии для выброса из атома.
Используя достаточную электростатическую силу на валентный электрон — либо толкая его другим отрицательным зарядом, либо притягивая его положительным зарядом — мы можем выбросить электрон с орбиты вокруг атома, создав свободный электрон.
Теперь рассмотрим медную проволоку: вещество, заполненное бесчисленными атомами меди. Поскольку наш свободный электрон плавает в пространстве между атомами, его тянут и толкают окружающие заряды в этом пространстве. В этом хаосе свободный электрон в конце концов находит новый атом, за который он цепляется; при этом отрицательный заряд этого электрона выбрасывает другой валентный электрон из атома. Теперь новый электрон дрейфует в свободном пространстве, пытаясь сделать то же самое. Этот цепной эффект может продолжаться и продолжаться, создавая поток электронов, называемый электрическим током .
Очень упрощенная модель зарядов, протекающих через атомы для создания тока.
Электропроводность
Некоторые элементарные типы атомов лучше других выделяют свои электроны. Чтобы получить наилучший поток электронов, мы хотим использовать атомы, которые не очень крепко держатся за свои валентные электроны. Электропроводность элемента измеряет, насколько сильно электрон связан с атомом.
Элементы с высокой проводимостью, которые имеют очень подвижные электроны, называются проводниками .Это типы материалов, которые мы хотим использовать для изготовления проводов и других компонентов, которые способствуют электронному потоку. Металлы, такие как медь, серебро и золото, обычно являются лучшим выбором в качестве хороших проводников.
Элементы с низкой проводимостью называются изоляторами . Изоляторы служат очень важной цели: они предотвращают поток электронов. Популярные изоляторы включают стекло, резину, пластик и воздух.
Статическое или текущее электричество
Прежде чем мы продолжим, давайте обсудим две формы, которые может принимать электричество: статическое или текущее.При работе с электроникой гораздо чаще встречается текущее электричество, но также важно понимать статическое электричество.
Статическое электричество
Статическое электричество возникает, когда на объектах, разделенных изолятором, накапливаются противоположные заряды.
Статическое (как в «состоянии покоя») электричество существует до тех пор, пока две группы противоположных зарядов не найдут путь между собой, чтобы сбалансировать систему.
Когда заряды все же находят способ уравновешивания, возникает статический разряд .Притяжение зарядов становится настолько большим, что они могут проходить даже через лучшие изоляторы (воздух, стекло, пластик, резина и т. Д.). Статические разряды могут быть вредными в зависимости от того, через какую среду проходят заряды и на какие поверхности переносятся заряды. Выравнивание зарядов через воздушный зазор может привести к видимому сотрясению, поскольку бегущие электроны сталкиваются с электронами в воздухе, которые возбуждаются и выделяют энергию в виде света.
Запальные устройства с искровым разрядником используются для создания управляемого статического разряда.Противоположные заряды накапливаются на каждом из проводников, пока их притяжение не станет настолько сильным, что заряды могут течь по воздуху.
Одним из наиболее ярких примеров статического разряда является молния . Когда облачная система накапливает достаточно заряда относительно другой группы облаков или земли, заряды будут пытаться уравновеситься. Когда облако разряжается, огромное количество положительных (а иногда и отрицательных) зарядов проходит по воздуху от земли к облаку, вызывая видимый эффект, с которым мы все знакомы.
Статическое электричество также существует, когда мы терем воздушные шары о голову, чтобы волосы встали дыбом, или когда мы шаркали по полу в пушистых тапочках и шокировали семейную кошку (конечно, случайно). В каждом случае трение от трения материалов разных типов переносит электроны. Объект, теряющий электроны, становится положительно заряженным, а объект, получающий электроны, становится отрицательно заряженным. Два объекта притягиваются друг к другу, пока не найдут способ уравновесить их.
Работая с электроникой, мы обычно не сталкиваемся со статическим электричеством.
Когда мы это делаем, мы обычно пытаемся защитить наши чувствительные электронные компоненты от статического разряда. Профилактические меры против статического электричества включают ношение браслетов ESD (электростатический разряд) или добавление специальных компонентов в схемы для защиты от очень высоких скачков заряда.
Текущее электричество
Текущее электричество — это форма электричества, которая делает возможными все наши электронные устройства.Эта форма электричества существует, когда зарядов могут постоянно течь . В отличие от статического электричества, когда заряды собираются и остаются в покое, текущее электричество является динамическим, заряды всегда находятся в движении. Мы сосредоточимся на этой форме электричества на протяжении всей оставшейся части урока.
Цепи
Для протекания электрического тока требуется цепь: замкнутая, бесконечная петля из проводящего материала. Схема может быть такой же простой, как проводящий провод, соединенный встык, но полезные схемы обычно содержат смесь проводов и других компонентов, которые управляют потоком электричества.
Единственное правило, когда дело доходит до изготовления цепей: в них не должно быть изоляционных промежутков .
Если у вас есть провод, полный атомов меди, и вы хотите вызвать поток электронов через него, все свободных электронов должны где-то течь в одном и том же направлении. Медь — отличный проводник, идеальный для протекания зарядов. Если цепь из медного провода разорвана, заряды не могут проходить через воздух, что также предотвратит перемещение любого из зарядов к середине.
С другой стороны, если бы провод был соединен встык, у всех электронов был бы соседний атом, и все они могли бы течь в одном и том же общем направлении.
Теперь мы понимаем , как может течь электронов, но как мы вообще можем заставить их течь? Затем, когда электроны текут, как они производят энергию, необходимую для освещения лампочек или вращающихся двигателей? Для этого нам нужно понимать электрические поля.
Электрические поля
Мы знаем, как электроны проходят через материю, чтобы создать электричество.
Это все, что касается электричества. Ну почти все. Теперь нам нужен источник, чтобы вызвать поток электронов. Чаще всего источником электронного потока является электрическое поле.
Что такое поле?
Поле — это инструмент, который мы используем для моделирования физических взаимодействий, которые не связаны с наблюдаемыми контактами . Поля нельзя увидеть, поскольку они не имеют физического внешнего вида, но эффект, который они оказывают, очень реален.
Мы все подсознательно знакомы с одной областью, в частности: гравитационным полем Земли, эффектом притяжения массивного тела другими телами.Гравитационное поле Земли можно смоделировать с помощью набора векторов, направленных в центр планеты; независимо от того, где вы находитесь на поверхности, вы почувствуете силу, толкающую вас к ней.
Сила или напряженность полей неодинакова во всех точках поля. Чем дальше вы находитесь от источника поля, тем меньшее влияние поле оказывает.
Величина гравитационного поля Земли уменьшается по мере удаления от центра планеты.
Продолжая исследовать электрические поля, вспомните, как работает гравитационное поле Земли. Оба поля имеют много общего.Гравитационные поля действуют на объекты массы, а электрические поля действуют на объекты заряда.
Электрические поля
Электрические поля (е-поля) — важный инструмент для понимания того, как начинается и продолжает течь электричество. Электрические поля описывают тянущую или толкающую силу в пространстве между зарядами . По сравнению с гравитационным полем Земли, электрические поля имеют одно важное отличие: в то время как поле Земли обычно привлекает только другие объекты массы (поскольку все , поэтому значительно менее массивны), электрические поля отталкивают заряды так же часто, как и притягивают их.
Направление электрических полей всегда определяется как направление , положительный тестовый заряд переместился бы на , если бы его уронили в поле.
Испытательный заряд должен быть бесконечно малым, чтобы его заряд не влиял на поле.
Мы можем начать с построения электрических полей для одиночных положительных и отрицательных зарядов. Если вы уроните положительный тестовый заряд рядом с отрицательным зарядом, тестовый заряд будет притягиваться к отрицательному заряду . Итак, для одиночного отрицательного заряда мы рисуем стрелки электрического поля , направленные внутрь во всех направлениях.Тот же тестовый заряд, упавший рядом с другим положительным зарядом , приведет к отталкиванию наружу, что означает, что мы рисуем стрелок, выходящих из положительного заряда.
Электрические поля одиночных зарядов. Отрицательный заряд имеет внутреннее электрическое поле, потому что он притягивает положительные заряды. Положительный заряд имеет внешнее электрическое поле, отталкиваясь, как заряды.
Группы электрических зарядов могут быть объединены для создания более полных электрических полей.
Равномерное электронное поле вверху направлено от положительных зарядов к отрицательным. Представьте себе крошечный положительный тестовый заряд, сброшенный в электронное поле; он должен следовать в направлении стрелок. Как мы видели, электричество обычно включает в себя поток электронов — отрицательных зарядов — которые текут против электрических полей.
Электрические поля предоставляют нам толкающую силу, необходимую для индукции тока. Электрическое поле в цепи похоже на электронный насос: большой источник отрицательных зарядов, который может толкать электроны, которые будут течь по цепи к положительному сгустку зарядов.
Электрический потенциал (энергия)
Когда мы используем электричество для питания наших цепей, устройств и устройств, мы действительно преобразуем энергию. Электронные схемы должны иметь возможность накапливать энергию и передавать ее другим формам, таким как тепло, свет или движение.
Накопленная энергия цепи называется электрической потенциальной энергией.
Энергия? Потенциальная энергия?
Чтобы понять потенциальную энергию, нам нужно понять энергию в целом. Энергия определяется как способность объекта выполнять работу над другим объектом, что означает перемещение этого объекта на некоторое расстояние.Энергия присутствует в различных формах , некоторые из которых мы можем видеть (например, механическая), а другие — нет (например, химическая или электрическая). Независимо от того, в какой форме она находится, энергия существует в одном из двух состояний : кинетическом или потенциальном.
Объект имеет кинетической энергии , когда он движется. Количество кинетической энергии объекта зависит от его массы и скорости. Потенциальная энергия , с другой стороны, представляет собой накопленную энергию , когда объект находится в состоянии покоя.
Он описывает, сколько работы мог бы сделать объект, если бы он был приведен в движение.Это энергия, которую мы обычно можем контролировать. Когда объект приводится в движение, его потенциальная энергия превращается в кинетическую.
Вернемся к использованию гравитации в качестве примера. Шар для боулинга, неподвижно сидящий на вершине башни Халифа, имеет много потенциальной (накопленной) энергии. После падения мяч, притягиваемый гравитационным полем, ускоряется по направлению к земле. Когда мяч ускоряется, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую (энергию движения). В конце концов вся энергия мяча превращается из потенциальной в кинетическую, а затем передается всему, в что он попадает.Когда мяч находится на земле, у него очень низкая потенциальная энергия.
Электрическая потенциальная энергия
Подобно тому, как масса в гравитационном поле имеет потенциальную энергию гравитации, заряды в электрическом поле имеют электрическую потенциальную энергию .
Электрическая потенциальная энергия заряда описывает, сколько у него накопленной энергии, когда она приводится в движение электростатической силой, эта энергия может стать кинетической, и заряд может выполнять работу.
Подобно шару для боулинга, сидящему на вершине башни, положительный заряд в непосредственной близости от другого положительного заряда имеет высокую потенциальную энергию; оставленный свободным для перемещения, заряд будет отталкиваться от аналогичного заряда.Положительный тестовый заряд, помещенный рядом с отрицательным зарядом, будет иметь низкую потенциальную энергию, как и шар для боулинга на земле.
Чтобы привить чему-либо потенциальную энергию, мы должны выполнить работу , перемещая это на расстояние. В случае шара для боулинга работа заключается в том, чтобы поднять его на 163 этажа против поля силы тяжести. Точно так же должна быть проделана работа, чтобы подтолкнуть положительный заряд к стрелкам электрического поля (либо к другому положительному заряду, либо от отрицательного заряда).
Чем дальше идет заряд, тем больше работы вам предстоит сделать. Точно так же, если вы попытаетесь отвести отрицательный заряд от от положительного заряда — против электрического поля — вы должны выполнять работу.
Для любого заряда, находящегося в электрическом поле, его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (положительный или отрицательный), количества заряда и его положения в поле. Электрическая потенциальная энергия измеряется в джоулях ( Дж ).
Электрический потенциал
Электрический потенциал основан на электрическом потенциале энергия , чтобы помочь определить, сколько энергии хранится в электрических полях .Это еще одна концепция, которая помогает нам моделировать поведение электрических полей. Электрический потенциал равен , а не , как электрическая потенциальная энергия!
В любой точке электрического поля электрический потенциал равен величине электрической потенциальной энергии, деленной на величину заряда в этой точке.
Он убирает количество заряда из уравнения и оставляет нам представление о том, сколько потенциальной энергии могут обеспечить определенные области электрического поля. Электрический потенциал выражается в джоулях на кулон ( Дж / К ), который мы определяем как вольт (В).
В любом электрическом поле есть две точки электрического потенциала, которые представляют для нас значительный интерес. Есть точка с высоким потенциалом, где положительный заряд будет иметь максимально возможную потенциальную энергию, и есть точка с низким потенциалом, где заряд будет иметь минимально возможную потенциальную энергию.
Один из наиболее распространенных терминов, которые мы обсуждаем при оценке электричества, — это напряжение . Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрического поля.Напряжение дает нам представление о том, сколько толкающей силы имеет электрическое поле.
Имея в своем арсенале потенциальную и потенциальную энергию, у нас есть все ингредиенты, необходимые для производства электричества.
Давай сделаем это!
Электричество в действии!
Изучив физику элементарных частиц, теорию поля и потенциальную энергию, мы теперь знаем достаточно, чтобы заставить электричество течь. Сделаем схему!
Сначала рассмотрим ингредиенты, необходимые для производства электричества:
- Электричество определяется как поток заряда .Обычно наши заряды переносятся свободно текущими электронами.
- Отрицательно заряженные электрона слабо удерживаются атомами проводящих материалов. Небольшим толчком мы можем освободить электроны от атомов и заставить их течь в общем однородном направлении.
- Замкнутая цепь из проводящего материала обеспечивает путь для непрерывного потока электронов.
- Заряды приводятся в движение электрическим полем . Нам нужен источник электрического потенциала (напряжения), который толкает электроны из точки с низкой потенциальной энергией в точку с более высокой потенциальной энергией.
Короткое замыкание
Батареи — распространенные источники энергии, преобразующие химическую энергию в электрическую. У них есть две клеммы, которые подключаются к остальной цепи. На одном выводе имеется избыток отрицательных зарядов, а на другом все положительные заряды сливаются. Это разность электрических потенциалов, ожидающая начала действия!
Если мы подключим наш провод, полный проводящих атомов меди, к батарее, это электрическое поле будет влиять на отрицательно заряженные свободные электроны в атомах меди.Одновременно подталкиваемые отрицательной клеммой и притягиваемой положительной клеммой, электроны в меди будут перемещаться от атома к атому, создавая поток заряда, который мы знаем как электричество.
После секунды протекания тока электроны фактически переместились на очень, мало — доли сантиметра. Однако энергия, производимая текущим потоком, составляет огромных , особенно потому, что в этой цепи нет ничего, что могло бы замедлить поток или потреблять энергию.
Подключить чистый проводник напрямую к источнику энергии — плохая идея . Энергия очень быстро перемещается по системе и превращается в тепле в проволоке, которое может быстро превратиться в плавящуюся проволоку или пожар.
Освещение лампочки
Вместо того, чтобы тратить всю эту энергию, не говоря уже о разрушении батареи и провода, давайте построим схему, которая сделает что-нибудь полезное! Обычно электрическая цепь переводит электрическую энергию в другую форму — свет, тепло, движение и т. Д.Если мы подключим лампочку к батарее с помощью проводов между ними, мы получим простую функциональную схему.
Схема: батарея (слева) подключается к лампочке (справа), цепь замыкается, когда замыкается переключатель (вверху). Когда цепь замкнута, электроны могут течь, проталкиваясь от отрицательной клеммы батареи через лампочку к положительной клемме.
В то время как электроны движутся со скоростью улитки, электрическое поле почти мгновенно влияет на всю цепь (мы говорим о скорости света быстро).
Электроны по всей цепи, будь то с самым низким потенциалом, с самым высоким потенциалом или непосредственно рядом с лампочкой, находятся под влиянием электрического поля. Когда переключатель замыкается и электроны подвергаются воздействию электрического поля, все электроны в цепи начинают течь, по-видимому, в одно и то же время. Ближайшие к лампочке заряды сделают один шаг по цепи и начнут преобразовывать энергию из электрической в световую (или тепловую).
Ресурсы и движение вперед
В этом уроке мы раскрыли лишь крохотную часть пресловутого айсберга.Остается еще масса нераскрытых концепций. Отсюда мы рекомендуем вам перейти сразу к нашему руководству по напряжению, току, сопротивлению и закону Ома. Теперь, когда вы знаете все об электрических полях (напряжении) и текущих электронах (токе), вы на правильном пути к пониманию закона, регулирующего их взаимодействие.
Для получения дополнительной информации и визуализаций, объясняющих электричество, посетите этот сайт.