Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки.
Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы. Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения. Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.
Что такое электрический ток?
Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током. Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение. Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.
Популярные заблуждения о скорости света
Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку. Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд – это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере. Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.
Что быстрее: молния или гром?
Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии. Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле: L =T × 331 Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах. Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.
Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока
Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью. Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает. Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.
Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света
Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи. Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили. Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.
К счастью элементарные частицы предвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП
Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.
Ток в электрической розетке
Электроустановочные изделия
Просмотров 870 Опубликовано 12.06.2018 Обновлено 12.06.2018
В этой статье хотелось бы порассуждать, конечно же вместе с вами, о различных токах, которые протекают в электрических розетках.
Ток в розетке может быть двух видов — постоянный (+ и -) и переменный (между фазой и нулём или между фазой и фазой).
Розетки для постоянного тока — это, как правило, слаботочные розетки. Через них протекает ток в 12, 24, 36 Вольт и т.д. Останавливаться на данных розетках мы с вами не будем, так как они очень редко находят применение в наших с вами квартирах и частных домах. Исключение составляют только телефонные розетки, в которых протекает постоянный ток в 36 Вольт.
Слаботочные розетки с постоянным током не представляют большой угрозы нашей жизни и здоровью, но как говорится: «Бережённого Бог бережёт». Так что и с постоянным током в розетках нужно быть очень осторожными.
Совсем другое дело — это наличие переменного тока в электрических розетках. Здесь необходимо всегда «держать ухо востро». Как правило, в наших квартирах в электрических розетках протекает переменный ток напряжением в 220 и 380 Вольт. Ток напряжением в 220 В образуется между фазой и нулём, а напряжение в 380 В образуется между двумя фазами.
На сегодняшний день в современных розетках присутствует ещё один контакт — это заземление. Может ли возникнуть электрический ток между фазой и заземлением? Да, заземление может прекрасно выступать в роли нулевого проводника. Ноль — это и есть заземление, идущее от подстанции… Но об этом подробнее в другой раз.
Как проверить наличие тока в розетке
Для этого существует много способов и различных электрических инструментов. Самый простой способ — это подключить к проверяемой розетке электроприбор соответствующего напряжения. Если в розетке имеется ток, то электроприбор начнёт работать.
Индикатор напряжения. Он может быть однополюсным — выполнен в виде отвёртки, и двухполюсным — два контактора. Однополюсной индикатор показывает наличие фазы на контакте розетки, а вот наличие или отсутствие нуля уже не покажет. Двухполюсной индикатор показывает наличие тока между двумя фазами, либо между фазой и нулём.
Электрический тестер (мультиметр). Данный электроинструмент показывает вам наличие в розетке любого вида тока — переменного, постоянного. А также наличие напряжения — малого или большого.
Контрольная лампа. Данный электрический инструмент обязательно покажет вам присутствие тока в розетке, если только лампочка в «контрольке» исправна и соответствует напряжению в проверяемой розетке.
Научный форум dxdy
Последний раз редактировалось danek130995 06.05.2015, 19:51, всего редактировалось 1 раз.
Назрел такой вопрос.. В розетке дома, если в нее ничего не вставлено(она не замкнута) ток постоянно течет от фазы к нолю? А при вставлении вилки также продолжает течь, просто проходя теперь еще и через нее? Или она каким то образом находится в режиме ожидание(каким)? Если же постоянно течет ток, отсюда вытекает вопрос:как может экономится электроэнергия при выключенных приборах, если он что так, что так-постоянно идет от фазы к нолю? А если не постоянно, как электростанция регулирует выработку? Как она узнает, сколько ей надо выработать? Она же не может знать все количество приборов, подключенных к ней. Но за электричество мы ведь платим тем больше, чем больше израсходовали. Помогите пожалуйста разобраться. И еще вытекают вопросы отсюда:если дотронуться до фазового провода, он током ударит при незамкнутой розетке? А если до нулевого? Спасибо заранее!
Re: Электрическая розетка
06.05.2015, 20:19
| Заслуженный участник |
1. Нет, не течёт.
2. Если подключена вилка, а к ней присоединена нагрузка — ток течёт.
3. Если приборы выключены — энергия не расходуется.
4. Если нагрузка в сети растёт — увеличивается ток, возрастает сила сопротивления генератора, вращение турбины замедляется, частота тока снижается, автоматика отслеживает это и увеличивает подачу пара (в гидростанции — поступление воды).
5. Прикосновение к фазному проводу опасно независимо от того, что включено в розетку.
6. Нейтральный провод при равномерной нагрузке всех фаз имеет потенциал, близкий к нулю, при перекосе фаз -отличается. При обрыве соединения с нейтралью может быть и опасно высокое.
Вот примерная схема:
Re: Электрическая розетка
06.05.2015, 20:50
Евгений Машеров
Спасибо за ваши ответы. Но я не до конца все еще понял.
Если вилка не подключена, следовательно, фазный провод не соединен с нолем. куда же девается ток, который в фазном проводе есть? Он же должен куда-то уходить. В фазном проводе постоянно же есть напряжение? Значит куда то ток должен идти. А если оно постоянно есть, то как оно зависит от приборов, подключенных к ней и от расхода?
Re: Электрическая розетка
06.05.2015, 21:03
| Заслуженный участник |
А зачем ему идти? Если цепь разомкнута, ток нулевой. Закон Ома.
Re: Электрическая розетка
06.05.2015, 21:26
Евгений Машеров
Станция то его вырабатывает, он же должен идти куда то, если цепь разомкнута. Получается, он проходит мимо нашей розетки, например, и идет дальше, где он требуется? И вырабтотано его будет станцией как раз столько, сколько его требуют в данный момент, да?
Re: Электрическая розетка
06.05.2015, 22:18
| Заслуженный участник |
Ток не человек. Он никому ничего не должен. Он течёт, если позволяет закон Ома, а если не позволяет — не течёт.
Re: Электрическая розетка
06.05.2015, 22:40
Электрическая энергия нигде не складируется. Больше, чем нужно в данный момент, не может быть выработано.
А когда нагрузка больше мощности системы, то приходится ограничивать нагрузку. Отключают в первую очередь потребителей
низшей категории, которые могут и подождать.
Re: Электрическая розетка
06.05.2015, 23:16
| Заслуженный участник |
Просто надо различать бытовое употребление слов «течёт ток» и точное физическое определение тока, в амперах. В цепи «под током» ток, в точном смысле слова, может быть нулевым.
Re: Электрическая розетка
07.05.2015, 09:19
| Заслуженный участник |
Последний раз редактировалось Евгений Машеров 07.05.2015, 10:00, всего редактировалось 1 раз.
Balbes в сообщении #1011885 писал(а):
Электрическая энергия нигде не складируется. Больше, чем нужно в данный момент, не может быть выработано.
А когда нагрузка больше мощности системы, то приходится ограничивать нагрузку. Отключают в первую очередь потребителей
низшей категории, которые могут и подождать.
Ну, строго говоря, аккумулятор и есть «склад электроэнергии». Но в сетях электропередачи их не используют, разве что на самом конечном этапе, в каких-либо UPS. Накопление избытка энергии (а он возникает тогда, когда нецелесообразно снижать выработку, например, чтобы не менять режим работы реактора АЭС) в электросетях может происходить переводом в иной вид энергии, например, на ГАЭС.
Отключение потребителей — да, это метод уравнивания потребления с нагрузкой, как ампутация — метод лечения заболеваний конечностей. Но крайний, как и ампутация. Обычно всё же закладывают некоторый избыток мощности электростанции, и при росте нагрузки этот избыток используют (технику я описал выше, только ещё не упомянул, что, увеличив расход пара, мы снизим давление в котле, и автоматика или живой дежурный увеличит подачу воды в котёл и топлива в форсунки)
— 07 май 2015, 10:00 —
danek130995 в сообщении #1011854 писал(а):
Евгений Машеров
Спасибо за ваши ответы. Но я не до конца все еще понял.
Если вилка не подключена, следовательно, фазный провод не соединен с нолем. куда же девается ток, который в фазном проводе есть? Он же должен куда-то уходить. В фазном проводе постоянно же есть напряжение? Значит куда то ток должен идти. А если оно постоянно есть, то как оно зависит от приборов, подключенных к ней и от расхода?
Давайте ещё раз, и подробнее. На электростанции турбина (паровая и водяная) крутит ротор генератора (солнечные, ветровые, приливные и т.п. ЭС для краткости опускаю). В обмотках возникает электродвижущая сила (Э.Д.С.). Результат её — напряжение на проводах сети (по дороге встречаются трансформаторы). Если сеть разомкнута, сопротивление её бесконечно, то ток нулевой
В частности, если в розетке нет вилки, подсоединённой к потребителю, напряжение на клеммах есть (что в быту именуется «под током»), а ток не течёт. Если нагрузка подключена — ток начинает течь. При этом состояние турбины зависит от общей нагрузки, по оборотам можно судить о нагрузке и регулировать мощность, отдаваемую электростанцией (да, мощность — это отдельный показатель, отличающийся от тока и напряжения, хотя с ними связанный).
Солнечная мастерская
Его производят электростанции. Сердце любой электростанции — генератор. Он приводится в движение специальным двигателем — турбиной. Электростанции бывают нескольких видов. Если турбину заставляет вращаться сила водного потока, то это Гидроэлектростанция (ГЭС). Если для работы генератора используют пар, который образуется при нагреве воды, то это Тепловая электростанция (ТЭС). Существуют еще Теплоэлектроцентрали, которые производят и теплую, и электрическую энергию. Самые мощные из ныне существующих электростанций — атомные (АЭС). Электричество в них добывается за счет энергии радиоактивного распада ядер атомов. Это очень производительный, но вместе с ним таящий в себе немалую опасность источник энергии. Человечество продолжает приручать природу, осваивая новые источники энергии — более экономичные и безопасные. Мы уже научились использовать для своих нужд энергию ветра и солнца, энергию океанских приливов и тепло земных недр.
КАК ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ПОПАДАЕТ В ДОМ?
От электростанции по высоковольтным линиям электропередач (ЛЭП) электроэнергия доходит до городов и сел. Это происходит при огромном напряжении в 110–1150 киловольт. Такое высокое напряжение необходимо для того, чтобы электрический ток мог проходить большие расстояния. Но в квартирах такое высокое напряжение крайне опасно, поэтому перед тем, как электрический ток попадет к нам в дом, напряжение надо понизить. Преобразование напряжения происходит в электроподстанциях с помощью трансформаторов. От электроподстанции ток по подземному кабелю или по проводам, натянутым высоко над землей, бежит к тебе домой. Этот длительный путь электроэнергия проходит настолько быстро, что её движение для тебя совершенно незаметно. Иногда току не нужно преодолевать огромные расстояния. Например, если жилой дом оборудован солнечной энергостанцией с использование фотоэлементов, электричество производится прямо в здании. Такой принцип «автономии» дома, то есть полной независимости от больших электростанций, давно уже используется в Европе.