Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«Демянская средняя школа имени Героя Советского Союза А.Н.Дехтяренко»
Тема «Электрический ток в действии»
Номинация: Научно-технические проекты
Автор – Андрианов Олег,
обучающийся 8 класса
Руководитель проекта –
Алексеева Ирина Ивановна,
учитель физики
п. Демянск, 2025
Оглавление
Введение……………………………………………………………………..3
1.Основная часть. Действия электрического тока
1.1.Тепловое действие электрического тока………………………………….6
1.2.Химическое действие электрического тока………………………………10
1.3.Магнитное действие электрического тока………………………………..13
1.4.Световое действие электрического тока …………………………………15
1.5.Механическое действие электрического тока……………………………16
1.6.Физиологическое действие………………………………………….…….18
2. Практическая часть
2.1. Опытные действия электрического тока……………………………….18
3.Заключение …………………………………………………………………...21
4.Список используемой литературы …………………………………………22
Приложение 1,2,3
Наука – это неустанная многовековая работа мысли.
А. Эйнштейн
Введение
В современном мире мы не можем себе представить жизнь без электричества. Как можно обойтись без освещения и тепла, без телефона, компьютера и телевизора? В нашу жизнь электричество настолько глубоко проникло, что мы даже порой не задумываемся, что это за такой волшебник – электричество. Меня всегда волновал вопрос: «Откуда идёт электричество? Как оно образовывается? Какие действия существует электрического тока, в том числе и на человека.
Актуальность моей работы. Я заинтересовался этим вопросом и решил для себя и для моих одноклассников продемонстрировать действия электрического тока. Это показывает новизну моего исследования в рамках нашей школы.
Наша жизнь невозможна без электричества. Электричество таит в себе много удивительных, волшебных сил и загадок, но мы сможем их разгадать!
Социальная значимость проекта данный проект выполнялся непосредственно для учащихся Демянской средней школы. Реализация проекта позволит повысить качественный уровень познавательного развития учащихся, любознательности, исследовательской мысли. Применение опытов на уроках физики вызывает интерес у учащихся. Проект направлен на развитие и популяризацию технического творчества, перспективен в дальнейшей работе с учащимися, позволит формировать практические умения у школьников.
Целью работы является: продемонстрировать действия электрического тока с помощью опытов.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1.Изучить литературу об электричестве;
2.Описать действия электрического тока.
3.Изучить и систематизировать материал.
4.Продемонстрировать опыты.
Практическая значимость работы заключается в том, мои опыты по действию электрического тока могут быть использованы учителями на уроках физики при прохождении темы: «Действия электрического тока» и в рамках внеклассной работы.
2.Основная часть.
Теоретические исследования действия электрического тока
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Для чего нам электроэнергия и насколько она помогает нам жить?
Изучив материал об электроэнергии на уроках физики, в интернете, я приобрёл много знаний и выяснил, что электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено ещё в двенадцатом веке до нашей эры греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе лёгкие предметы. Янтарь на древнегреческом языке – электрон.
Далее, я узнал, что такое электрический ток.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК (обозначение I), движение ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ, обычно - поток ЭЛЕКТРОНОВ по ПРОВОДНИКУ или ионов по ЭЛЕКТРОЛИТУ либо в газовой среде. Условлено считать, что ток движется от положительного конца цепи (АНОДА) к отрицательному (КАТОДУ), хотя на самом деле электроны движутся по проводнику в противоположном направлении. Ток измеряют в АМПЕРАХ. Постоянный ток движется непрерывно в одном и том же направлении, переменный регулярно меняет направление. Частоту переменного тока измеряют в ГЕРЦАХ (Гц). Частота тока, применяемого для бытовых нужд.
Ознакомившись с понятиями, я сделал выводы о том, что электричество – эффект, вызванный движением и взаимодействием заряженных частиц. В некоторых веществах отдельные электроны не удерживаются атомами и свободно перемещаются между ними. Электроны, покинувшие свои атомы, называются свободными. Такие электроны есть, например, в любом металле. Именно свободные электроны при определённых условиях начинают двигаться в одном направлении, образуя электрический ток. Трудно вообразить себе, какое огромное количество электронов движется по электрическим проводам, выполняя ежедневно полезную работу для всего человечества. От этого идёт освещение улиц и домов, движется транспорт, работают все электроприборы.
Электрический ток в цепи всегда проявляется каким-нибудь своим действием. Это может быть как работа в определенной нагрузке, так и сопутствующее действие тока. Таким образом, по действию тока можно судить о его наличии или отсутствии в данной цепи: если нагрузка работает — ток есть. Если типичное сопутствующее току явление наблюдается — ток в цепи есть, и т. д.
Вообще, электрический ток способен вызывать различные действия: тепловое, химическое, магнитное (электромагнитное), световое, механическое, причем разного рода действия тока зачастую проявляются одновременно. Пример:
1.1.Тепловое действие электрического тока
Одним из первых и наиболее распространенных действий электрического тока является тепловое. Когда электрический ток проходит через проводник сопротивления, его энергия преобразуется в тепловую. Этот принцип используется в функционировании и развитии различных технологий, например, в устройстве нагревательных элементов, электроплит, электрических печей и много где еще. Специальные материалы, такие как нихром, обладают высоким сопротивлением и эффективно преобразуют электрическую энергию в тепло.
При прохождении постоянного или переменного электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Такими нагревающимися проводниками в разных условиях и приложениях могут выступать: металлы, электролиты, плазма, расплавы металлов, полупроводники, полуметаллы.
В простейшем случае, если, скажем, через нихромовую проволоку пропустить электрический ток, то она нагреется. Данное явление используется в нагревательных приборах: в электрочайниках, в кипятильниках, в обогревателях, электроплитках и т. д. В электродуговой сварке температура электрической дуги вообще доходит до 7000°С, и металл легко плавится, - это тоже тепловое действие тока.
Явление выделения тепла при протекании электрического тока впервые наблюдал Джеймс Джоуль в 1841 году, а затем независимо Генрих Ленц в 1842 году. В настоящее время оно используется для преобразования электричества во внутреннюю энергию.
Выделяемое на участке цепи количество теплоты зависит от приложенного к этому участку напряжения, значения протекающего тока и от времени его протекания (Закон Джоуля — Ленца).
Преобразовав закон Ома для участка цепи, можно для вычисления количества теплоты использовать либо напряжение, либо силу тока, но тогда обязательно необходимо знать и сопротивление цепи, ведь именно оно ограничивает ток, и вызывает, по сути, нагрев. Или, зная ток и напряжение в цепи, можно так же легко найти количество выделяемой теплоты. Это явление часто нежелательно, например, при передаче электроэнергии на расстояние. В этом случае высвобожденное тепло будет потрачено впустую. Почему передачу электроэнергии на расстояние выполняют на повышенном напряжении?
Сегодня передачу электрической энергии на расстояние всегда выполняют на повышенном напряжении, которое измеряется десятками и сотнями киловольт. По всему миру электростанции различного типа генерируют электричество гигаваттами. Это электричество распределяется по городам и селам при помощи проводов, которые мы можем видеть например вдоль трасс и железных дорог, где они неизменно закреплены на высоких опорах с длинными изоляторами. Но почему передача всегда осуществляется на высоком напряжении?
( Приложение1).
В электронных устройствах эффект Джоуля-Ленца создает тепло внутри устройства и требует его отвода оттуда для стабильной работы устройства. Поэтому, например, компьютеры требуют охлаждения.
В процессе работы компьютера некоторые из его компонентов сильно нагреваются, и если образующееся тепло достаточно быстро не отводить, то компьютер просто не сможет работать в силу нарушения нормальных характеристик его главных полупроводниковых составляющих.
Отвод тепла от нагревающихся частей компьютера является важнейшей задачей, которую решает система охлаждения компьютера, представляющая собой набор специализированных средств, функционирующих непрерывно, системно и слаженно на протяжении всего времени, пока компьютер активно используется.
В ходе работы системы охлаждения компьютера утилизируется тепло, образующееся при прохождении рабочих токов через ключевые элементы компьютера, особенно через элементы его системного блока. Количество выделяемого при этом тепла зависит от вычислительных ресурсов компьютера и от его текущей загруженности по отношению ко всем имеющимся в распоряжении машины ресурсам.
В любом случае теплота утилизируется в атмосферу. При пассивном охлаждении тепло отводится от нагревающихся частей через радиатор напрямую в окружающий воздух путем обычной конвекции и инфракрасного излучения. При активном охлаждении, кроме конвекции и ИК-излучения, используется еще и обдув вентилятором, усиливающий интенсивность конвекции (такое решение называется «кулер»).
Также существуют системы жидкостного охлаждения, когда тепло сначала перемещается теплоносителем, а затем опять же утилизируется в атмосферу. Существуют системы открытого испарения, в которых отвод тепла происходит благодаря фазовому переходу теплоносителя.
Итак, по принципу отведения тепла от нагревающихся частей компьютера, системы охлаждения бывают: воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения, фреоновые, открытого испарения и комбинированные (на базе элементов Пельтье и ватерчиллер).
Преобразование электрической энергии в тепловую энергию (тепловые приборы, холодильники) имеет КПД более 90%.
Применение теплового действия тока
1.2.Химическое действие электрического тока
Примером этого действия является электролиз, то есть процесс разложения вещества под воздействием электрического тока. Электролиз применяется во многих отраслях промышленности, например, в производстве алюминия и хлора. Путем управления током можно контролировать скорость и направление химических реакций, что открывает широкие возможности для производства и синтеза различных веществ.
Электролиты, содержащие ионы, под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу — это и есть химическое действие тока.
К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы). То есть вещества, содержащиеся в электролите, в процессе электролиза выделяются на электродах источника тока.
Например, в раствор определенной кислоты, щелочи или соли погружают пару электродов, и при пропускании электрического тока по цепи на одном электроде создается положительный заряд, на другом — отрицательный. Ионы содержащиеся в растворе начинают откладываться на электроде с противоположным зарядом.
Скажем, при электролизе медного купороса (CuSO4), катионы меди Cu2+ с положительным зарядом движутся к отрицательно заряженному катоду, где они получают недостающий заряд, и становятся нейтральными атомами меди, оседая на поверхности электрода.
Гидроксильная группа -OH отдаст электроны на аноде, и в результате выделится кислород. Положительно заряженные катионы водорода H+ и отрицательно заряженные анионы SO42- останутся в растворе.
Химическое действие электрического тока используется в промышленности, например, для разложения воды на составляющие ее части (водород и кислород). Также электролиз позволяет получать некоторые металлы в чистом виде. С помощью электролиза покрывают тонким слоем определенного металла (никеля, хрома) поверхности — это нанесение гальванических покрытий и т.д.
На практике гальванотехника давно разделилась на два отдельных, независимых направления:
1. гальванопластику;
2. гальваностегию.
Эти методы работают примерно по одинаковым технологиям, но отличаются материалами основы, на которую наносится гальваническое покрытие. (Приложение 2.)
На приведенной картинке показаны обработанные детали, которые окружают нас в быту: декорированные элементы мебели и светильников, защитные покрытия бытовой техники и консервных банок.
Качество наносимого слоя на изделие зависит от структуры создаваемого покрытия. В технических целях используются наиболее мелкозернистые и одновременно плотные слои осадков. Они создаются:
• подбором компонентов и состава электролита;
• поддержанием оптимального температурного режима рабочей среды при электролизе;
• уставками тока, стабильностью его плотности и длительностью производственного цикла.
В 1832 году Майкл Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит. Если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток I, то справедлив первый закон электролиза Фарадея:
Здесь коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.
Гальванические элементы используют химическую реакцию, которая высвобождает энергию в виде электрического поля. При химической реакции молекула вновь образованного соединения имеет меньшую энергию, чем сумма энергий частей, из которых она образовалась.
Существует много видов гальванических элементов. Гальванические элементы относятся к первичным элементам — мы можем брать от них электрический ток, не «подав» его предварительно. Простейший гальванический элемент состоит из электролита и двух электродов. В качестве электролита используется серная кислота.
Положительный электрод изготовлен из меди, а отрицательный - из цинка. Когда серную кислоту разбавляют водой, молекулы воды освобождают прочную связь молекул кислоты, которая расщепляется на положительные и отрицательные ионы. Но существует баланс между зарядами, и электролит остается электрически нейтральным.
После погружения цинкового электрода в электролит цинк начинает растворяться, а его катионы заряжаются электролитом положительно. Цинковый электрод заряжается отрицательно и между положительным и отрицательным электродами появляется напряжение 1,05 В.
Если к выводам гальванического элемента подключить потребитель, то состояние равновесия нарушается, электроны переходят от цинкового электрода к медному электроду через потребителя, и создается электрический ток.
1.3. Магнитное действие электрического тока
При наличии электрического тока в любом проводнике (в твердом, жидком или газообразном) наблюдается магнитное поле вокруг проводника, то есть проводник с током приобретает магнитные свойства.
Так, если к проводнику, по которому течет ток, поднести магнит, например в виде магнитной стрелки компаса, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику, а если намотать проводник на железный сердечник, и пропустить по проводнику постоянный ток, то сердечник станет электромагнитом.
В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие тока на магнитную стрелку, а Ампер установил количественные закономерности магнитного взаимодействия проводников с током.
Магнитное поле всегда порождается током, то есть движущимися электрическими зарядами, в частности - заряженными частицами (электронами, ионами). Противоположно направленные токи взаимно отталкиваются, однонаправленные токи взаимно притягиваются.
Такое механическое взаимодействие происходит благодаря взаимодействию магнитных полей токов, то есть это, в первую очередь, — магнитное взаимодействие, а уж потом - механическое. Таким образом, магнитное взаимодействие токов первично.
В 1831 году, Фарадей установил, что изменяющееся магнитное поле от одного контура порождает ток в другом контуре: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Логично, что именно магнитное действие токов используется по сей день и во всех трансформаторах, а не только в электромагнитах ( например, в промышленных).
Применение магнитного действия тока
1.4. Световое действие электрического тока
Еще одним удивительным действием электрического тока является его способность вызывать световые эффекты, то есть сам ток, проходящий через определенные вещества или устройства, может вызывать излучение света. Примером такого явления являются обычные лампочки, где электрический ток преобразуется в световую энергию. А еще световой эффект широко применяется в сфере оптики и электроники, где используются светодиоды, лазеры и прочие световые источники.
Это действие тока используется в различных источниках света — источниках электромагнитного излучения в диапазоне длин волн примерно 380–780 нм (360–800 нм), которое мы можем наблюдать человеческим глазом в виде видимого света.
В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через нее током до белого каления и излучает свет.
Для лампы накаливания на световую энергию приходится около 5% от подведенной электроэнергии, остальные 95% которой преобразуется в тепло.
Люминесцентные лампы более эффективно преобразуют энергию тока в свет — до 20% электроэнергии преобразуется в видимый свет благодаря люминофору, принимающему ультрафиолетовое излучение от электрического разряда в парах ртути или в инертном газе типа неона.
Более эффективно световое действие электрического тока реализуется в светодиодах. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Лучшие излучатели света относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), например GaAs, InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). КПД светодиода как источника света доходит в среднем до 50%.
1.5. Механическое действие электрического тока
А еще электрический ток может проявлять механическое действие, например, в сфере производства электромоторов, электрогенераторов и других электромеханических устройств. Как? Электрическая энергия преобразуется в механическую, обеспечивая их функционирование.
Электрический ток создает магнитное поле вокруг проводника. Это явление известно как электромагнетизм или магнитное действие. Используется в сфере электротехники и электроники, например, в производстве электродвигателей и трансформаторов.
Как было отмечено выше, каждый проводник, по которому течет электрический ток, образует вокруг себя магнитное поле. Магнитные действия превращаются в движение, например, в электродвигателях, в магнитных подъемных устройствах, в магнитных вентилях, в реле и т. д.
Механическое действие одного тока на другой описывает закон Ампера. Впервые этот закон был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.
Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна току в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию.
На этом принципе основана работа электродвигателей, где ротор играет роль рамки с током, ориентирующейся во внешнем магнитном поле статора вращающим моментом M.
Эффективность преобразования к механической энергии с помощью электродвигателя составляет более 90%.
1.6. Физиологическое действие
Многообразен мир, многообразна природа. Много интересного вокруг нас, но в центре всех явлений венец природы – человек. А как живётся самому человеку в окружении своих же изобретений, далеко не всегда безопасных? Электрический ток, проходя через организм человека, оказывает биологическое, электролитическое, тепловое и механическое действие.
Биологическое действие тока проявляется в раздражении и возбуждении тканей и органов. Вследствие этого наблюдаются судороги скелетных мышц, которые могут привести к остановке дыхания, отрывным переломам и вывихам конечностей, спазму голосовых связок.
Электролитическое действие тока проявляется в электролизе (разложении) жидкостей, в том числе и крови, а также существенно изменяет функциональное состояние клеток.
Тепловое действие электрического тока приводит к ожогам кожного покрова, а также гибели подкожных тканей, вплоть до обугливания.
Механическое действие тока проявляется в расслоении тканей и даже отрывах частей тела.
Этот вопрос о действии электрического тока на человека изучил с точки зрения физики, биологии, медицины, основ безопасности жизнедеятельности. (Приложение 3).
2. Практическая часть
Опытные исследования действия электрического тока
Сейчас я покажу опыта с электрическим током.
1.Первый опыт - световое действие. Для него мне понадобится потребитель (источник света) лампочка или как в моём случае светодиодная лента. Важно, что вода всё же не лучший проводник, так как её проводимость зависит от примесей в ней, поэтому источник света должен потреблять примерно в 3 раза меньше электроэнергии, чем подаёт блок питания. Дальше мне понадобится источник питания- я взял старый блок питания от компьютера на 3.5 А, 18.5 V, а также я взял два медных стержня по 6 см, ёмкость в которую мы наливаем обычную воду из под крана. Сборка опыта: взял блок питания: у него один вход и выход, на стороне выхода питания я зачистил изоляцию, получив два оголённых кабеля + и - , к минусовому контакту я припаял первый медный стержень, а второй плюсовой контакт я припаял к плюсовому контакту светодиодной ленты. Я взял второй медный стержень и припаял его к минусовому контакту светодиодной ленты. Наливаю воду в ёмкость, включаю блок питания в розетку и опускаю в воду оба медных стержня не касаясь стержнями друг к другу. Лампа загорается. Этим же опытом демонстрируется проводимость воды за счёт примесей в ней. Интересно, что на минусовом контакте, который в воде у блока питания образуются пузыри - это происходит ускоренный процесс окисления.
2. Тепловое действие.
Для этого опыта мне понадобится тонкая медная проволока, два крокодила, в которых будет зажата эта проволока, кабель выключатель и мощный блок питания, в этот раз им будет аккумулятор на 5 А, 21V. Сборка опыта: берём кабель, зачищаем контакты + и - с двух сторон, припаиваю одни любой провод к одному крокодилу и другой провод к другому крокодилу; на минусовом контакте делаем разрыв и напаиваем выключатель; провод плюс и минус подключаем к аккумулятору. Устанавливаем на крокодилы тонкую медную проволоку и нажимаем на выключатель и наблюдаем, что проволока на крокодилах расплавилась при нагревании и плавлении, издавая тепло.
3. Магнитное действие.
Электромагнит. Для опыта мне понадобится тонкая медная эмалированная проволока, металлический стержень, пластиковая изоляция для катушки, диммер и блок питания- 12v, 2А. Сборка опыта: берём блок питания и зачищаем выходные контакты, подключаем блок к входным контактам диммера +к+ -к- ; далее берем металлический стержень и одеваем на него пластиковую изоляцию, на изоляцию наматываем тонкую эмалированную проволоку, желательно 1156 мотков, как в моём случае и получаем катушку с двумя контактами, и подключаем их к выходным контактам диммера. Включаем блок питания в розетку и включаем диммер. Берем металлические шарики и повышая диммером напряжение, повышаем ток на катушке и подносим её к шарикам. Шарики начинают магнититься к катушке.
4.Механическое действие электрического тока. Я взял стандартный электромоторчик, который стоит практически во всех детских игрушках. Моторчик на 3-9 вольт и распилил гравером верхнюю часть моторчика, чтобы было отчётливо видно щётки коллектора двигателя и ротор постоянного тока.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования имеют для меня личную значимость: в процессе работы над исследованием действия электрического тока, я приобрел практический опыт работы, получил дополнительные знания по физике.
Моё исследование доставило мне огромное удовольствие. Было очень интересно проводить опыты. В завершении своей работы я продемонстрировал свои опыты на уроке физике в 8абв классах
Подводя итог моей работы, можно сказать, что без электричества представить нашу современную жизнь практически невозможно. Нельзя обойтись без тепла, освещения, телефона, компьютера. Электричество настолько глубоко проникло в нашу жизнь, что мы порой даже и не задумываемся, как оно нам помогает в нашей жизни. Как оказалось, изучение «электричества» - это очень большая и сложная работа, которая требует больших знаний. Сделал вывод, что ток невидим, а потому особенно коварен. Чтобы электричество не было опасным, надо правильно себя с ним вести и тогда оно будет другом, а не врагом. Для этого нужно соблюдать технику электробезопасности, которую должен знать не только взрослый, но и ребёнок, чтобы обезопасить свою жизнь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Горев Л. Занимательные опыты по физике. Просвещение. М. 1985г.
Интернет. Занимательная физика, Электричество
Исследовательский проект «Удивительное электричество»
Ланина И.Я. Внеклассная работа по физике. Просвещение
Национальный научно-учебный центр физики частиц и высоких энергий (БГУ) 2012.March.15
Поваляев О.А, Надольская Я.В. Юный физик 1 Электричество.
Приложение 1
Но почему передача всегда осуществляется на высоком напряжении?
Представьте, что вам необходимо передать по проводам электрическую мощность хотя бы в 1000 ватт на расстояние 10 километров в форме переменного тока с минимальными потерями, чтобы запитать мощный киловаттный прожектор. Что вы предпримете? Очевидно, что напряжение необходимо будет так или иначе преобразовывать, понижать или повышать при помощи трансформатора.
Допустим, источник (небольшой бензиновый генератор) выдает напряжение 220 вольт, при этом в вашем распоряжении есть двухжильный медный кабель с сечением каждой жилы по 35 кв.мм. На 10 километров такой кабель даст активное сопротивление около 10 Ом.
Нагрузка мощностью 1 кВт имеет сопротивление около 50 Ом. И что если передаваемое напряжение оставить на уровне 220 вольт? Это значит, что шестая часть напряжения придется (упадет) на передающий провод, который окажется под напряжением около 36 вольт. И вот, порядка 130 Вт потеряно по пути — просто подогрели передающие провода. А на прожекторе получим не 220 вольт, а 183 вольта. КПД передачи оказалось 87%, и это пренебрегая еще индуктивном сопротивлении передающих проводов.
Дело в том, что активные потери в передающих проводах всегда прямо пропорциональны квадрату тока (см. Закон Ома). Следовательно если передачу той же самой мощности осуществить при более высоком напряжении, то падение напряжения на проводах не окажется столь губительным фактором.
Допустим теперь иную ситуацию. У нас имеется тот же самый бензиновый генератор, выдающий 220 вольт, те же 10 километров провода с активным сопротивлением 10 Ом, и тот же самый прожектор на 1кВт, но плюс ко всему еще есть два киловаттных трансформатора, первый — повышающий 220-22000 вольт, расположенный возле генератора и подключенный к нему обмоткой низкого напряжения, а обмоткой высокого напряжения — присоединен к передающим проводам. А второй трансформатор, на расстоянии 10 километров, - понижающий 22000-220 вольт, к обмотке низкого напряжения которого присоединен прожектор, а обмотка высокого напряжения — получает питание от передающих проводов.
Итак, при мощности нагрузки 1000 ватт при напряжении 22000 вольт, ток в передающем проводе (здесь можно обойтись без учета реактивной составляющей) составит всего 45мА, а значит на нем упадет уже не 36 вольт, (как было без трансформаторов) а всего 0,45 вольт! Потери составят уже не 130 Вт, а всего 20 мВт. КПД такой передачи на повышенном напряжении составит 99,99%. Вот почему передача на повышенном напряжении более эффективна.
В примере ситуация рассмотрена грубо, и использовать дорогие трансформаторы для такой простой бытовой цели было бы конечно нецелесообразным решением. Но в масштабах стран и даже областей, когда речь идет о расстояниях в сотни километров и об огромных передаваемых мощностях, стоимость электроэнергии, которая могла бы потеряться, тысячекратно превышает любые затраты на трансформаторы. Вот почему при передаче электроэнергии на расстояние всегда применяется повышенное напряжение, измеряемое сотнями киловольт — чтобы снизить потери мощности при передаче.
Непрерывный рост электропотребления, концентрация генерирующих мощностей на электростанциях, сокращение свободных от застройки территорий, ужесточение требований по защите окружающей среды, инфляция и рост цен на землю, а также ряд других факторов настоятельно диктуют повышение пропускной способности линий электропередачи.
Объединение энергетических систем, увеличение мощности электрических станций и систем в целом сопровождаются увеличением расстояний и потоков мощности, передаваемых по линии электропередачи. Без мощных линий электропередачи высокого напряжения невозможна выдача энергии от современных крупных электростанций.
Единая энергетическая система позволяет обеспечить передачу резервной мощности в те районы, где имеется в ней потребность, связанная с ремонтными работами или аварийными условиями, появится возможность передавать избыток мощности с запада на восток или наоборот, обусловленный поясным сдвигом во времени.
Благодаря дальним передачам свервысокого напряжения (500 - 750 кВ) стало возможным строительство сверхмощных гидроэлектростанций и полное использование их энергии. Это хребет современной мощной объединенной энергетической системы.
Приложение 2
Гальванопластика
Это способ создания поверхностной копии объемного изображения неметаллической детали. Материалами основы могут служить легкообрабатываемые гипс, камень, дерево, пластмассовые заготовки и другие вещества.
В художественных мастерских создают уникальные формы украшений при покрытии слоем металла листочков различных деревьев, цветков, насекомых.
Основоположником гальванопластики считается россиянин Борис Семенович Якоби, разработавший технологию, позволившую создать знаменитые металлические скульптуры, которые украшают до сих пор здание Исаакиевского собора в Санкт Петербурге. За эту работу он получил всемирное признание, был поощрен самой почетной для ученых России Демидовской премией и награжден большой золотой медалью во время прохождения торжественной церемонии на Парижской выставке.
Толщина изделий, создаваемых методами гальванопластики, отличается увеличенными размерами для придания им прочности при эксплуатации. Она может достигать от 0,25 до двух и более миллиметров. Это реализуется длительностью протекания электрохимических процессов.
Гальванопластикой в художественных изделиях чаще всего наносят цветные благородные металлы:
• золото;
• серебро,
• платина;
• родий.
Для технических целей используют:
• медь;
• никель;
• железо.
При золочении, серебрении, никелировании медь применяют как промежуточный слой в технологических процессах гальванопластики.
Гальваностегия
Этот прием гальванического покрытия основан на нанесении тонкого слоя защитного металла на поверхность металлической детали или группы предметов. Верхнее покрытие может выполнять различные функции:
• предохранения от коррозии;
• защитного декорирования;
• облагораживания внешнего вида;
• придания поверхности различных электрических свойств с целью улучшения токопроводимости либо повышения изоляционных характеристик;
• поднятия противозадирочных характеристик прочности;
• продления износостойкости;
• улучшения адгезии при гуммировании сталей;
• повышения сцепляемости для припоев и ряд других свойств.
Широкий ассортимент изделий, покрытых методами гальваностегии, можно встретить во всех окружающих нас предметах.
Приложение 3
Постараюсь выработать единую тактику поведения в неоднозначных техногенных ситуациях.
А направления определил по изученным темам «Строение и работа сердца» и «Кровеносная система» и заинтересовался: в чём же состоит поражение организма под действием тока?
Физика. Тело человека также является хорошим проводником электрического тока. Почему? Да потому, что оно состоит на 90% из воды. В этой жидкости присутствуют различные вещества, обеспечивающие электрическую проводимость. Например, в крови имеются эритроциты, несущие частицы железа, и кровь достаточно хорошо проводит электрический ток. А что происходит с человеком, попавшим под напряжение? Что поражает человека и может даже убить: Ток? Напряжение? То и другое? Оказывает ли ток тепловое поражение? Каково влияние тока на сердечный ритм?
Рассмотрим, что испытывает человек, попавший под действие тока:
• электрический ток до 0,15 мА человек не ощущает;
• при силе тока 10 мА появляются болезненные ощущения;
• при 80 мА появляются затруднения с дыханием • ток 100 мА вызывает фибрилляции (нарушение ритма сердца);
• ток свыше 200 мА вызывает сильный ожог и останавливает дыхание.
Как видно из приведённых данных, при токе 100–200 мА возникают беспорядочные неконтролируемые сокращения сердечной мышцы, нарушается кровообращение. Очень трудно восстановить правильный ритм сердца. Легче «включить» (если можно так сказать) остановившееся сердце с помощью мощного электрического импульса. Такой импульс создаётся в дефибрилляторе.
Какое напряжение способно создать электрический ток такого угрожающего значения? Однозначного ответа здесь нет, т. к. сила тока определяется не только напряжением, но и сопротивлением тела человека. Сопротивление зависит от пути следования тока. Например, сопротивление от одной руки к другой достигает 1600 Ом, а от плеча к ноге – 1200 Ом. Особенно опасно, если ток проходит через сердце. Сопротивление человека сильно зависит от индивидуальных особенностей кожного покрова: нежная, тонкая кожа или кожа с повреждениями хорошо проводит ток, сухая огрубевшая кожа – весьма плохо. В сырых помещениях опасность представляет напряжение более 38 В.
Какой ток опаснее: переменный или постоянный?
Любой ток опасен, всё зависит от обстоятельств, в том числе и от нервного состояния человека.
В США промышленный ток имеет частоту 60 Гц, а у нас частота 50 Гц. Какой ток опаснее? Считается, что ток частотой 50 Гц менее опасен. Итак, электрический ток создаёт проблемы с сердечной деятельностью человека.
рис. Расскажу, почему бьётся сердце. Когда сердце ритмично бьётся, благодаря электрической системе происходит сокращение и расслабление его отделов. На поверхности сердца расположены разветвлённые волокна. Они могут генерировать и передавать электрические импульсы. Сигналы зарождаются в синусовом узле (его также называют водителем ритма), расположенном на поверхности правого предсердия. Из синусового узла импульс проходит через предсердия, вызывая их сокращение, и распространяется по желудочкам, слаженно сокращая их мышечные волокна. У здорового человека частота сокращений составляет в покое 60–80 в минуту, это и есть нормальный пульс. На ЭКГ это выглядит так, как показано на рисунке.
Теперь представим, что может произойти, если происходит поражение электрическим током. Электрический ток при поражении рука–рука, нога–рука всегда проходит через сердце. Это может произойти в любую фазу сердечного цикла. Последствия бывают разные. Например:
• разрыв миокарда – кровь поступает в околосердечную сумку, наступает смерть • раскрытие створчатого клапана – он не закрывается, кровь самотёком поступает из предсердия в желудочек • предсердие не сокращается, желудочек наполняется кровью • плохо закрываются полулунные клапаны в аорте. Необходима операция – шунтирование.
А может ли человеческий организм сам вырабатывать электрический ток, т. е. создавать напряжение?
Да, такая функция есть. Сердечная мышца генерирует слабые токи. И это замечательно. Этот факт даёт возможность изучать и контролировать работу сердца.
Надо беречь родное сердце
МЧС.
-Человек попал под напряжение, например, наступил на оборванный провод. Что надо сделать в первую очередь?
Надо изолировать пострадавшего от находящихся под напряжением проводов с помощью подручных средств (сухой палки, доски).
-Вы оказались в зоне электрического напряжения, как из него правильно выйти?
Выходить надо мелкими шаркающими шагами или заячьими подскоками.
-У пострадавшего остановка сердца вследствие электрошока. Как помочь?
Необходимо обесточить пострадавшего, затем срочно начать выполнять непрямой массаж сердца в комплексе с искусственным дыханием. Вследствие воздействия тока может быть спазм мышц, поэтому надо разжать зубы пострадавшему с помощью ножа или палочки. На его рот и нос накладывают чистый носовой платок, в лёгкие вдувают воздух с частотой 18–20 раз в минуту, делают массаж сердца, ритмично надавливая на нижнюю треть грудины с частотой 60–70 раз в минуту.
- Как уберечься от электротравм дома?
В быту заметную опасность представляет стиральная машина, т. к. моющий раствор – это хороший проводник тока. Нельзя включать машину в обычную розетку. Необходимо подвести к ней напряжение от электрораспределительного щита. В этом случае будет задействована нулевая фаза, которая обеспечит заземление.
Медик. Малые токи для человека полезны. Например, в физиотерапевтическом кабинете делают прогревание с помощью электрофореза.
Нормальной работе сердца способствуют физические упражнения, посильный труд, активный образ жизни. При физической работе:
• увеличивается объём крови, протекающей через сердечную мышцу;
• улучшается снабжение её кислородом и питательными веществами. Всё это способствует укреплению сердечной мышцы и её развитию.
При снижении физической нагрузки сердечная мышца слабеет, например, на 70-е сутки полной неподвижности размер сердца уменьшается на 13–18%. В то же время следует помнить, что у детей рост сети кровеносных сосудов отстаёт от роста сердца. Поэтому сердце подростка затрачивает дополнительные усилия на проталкивание крови через узкие просветы сосудов. В этот период нужны физические нагрузки в пределах возможностей каждого ребёнка.
|
