Электропроводка и трубопровод: аналогии и различия

Будучи электриком, часто сталкиваешься с тем, что вполне здоровые и развитые как физически, так и умственно люди испытывают состояние благоговейного ужаса перед электричеством. При этом, скажем, устройство водопровода и канализации не кажется им очень уж сложным.

Еще бы: бежит себе вода по трубам под давлением, а по трубам большего диаметра отводится в канализацию – все «проще пареной репы». Просто жаль таких людей, с тревогой поглядывающих на источающую искры розетку и ожидающих электрика, который бы произвел ее замену.

И раз уж многим людям, испытывающим страх перед электричеством, водопровод кажется устроенным более просто, то приведем некоторые физические аналогии между электрическим током и течением воды.

В каком направлении бежит вода? – Из точки с большим давлением — в точку с меньшим. Между точками с одинаковым давлением на стенки трубы течения воды не будет. Но ведь и электрический ток ведет себя также: он возникает между точками проводника, имеющими разное значение электрического потенциала. Аналогия проста: труба схожа с проводником, поток воды – с электрическим током, а давление в трубопроводе – с электрическим потенциалом.

Основываясь на этих аналогиях, мы можем подобрать своеобразные «альтер эго» некоторых бытовых электротехнических устройств и явлений. Эти «вторые Я» будут относиться к сантехнике и водопроводу.

Возьмем, к примеру, электрический выключатель. Что он делает? – Соединяет и разъединяет два провода, причем один из них «фаза», и по нему приходит ток, а второй провод идет к нагрузке. Нулевые провода к выключателю не подключаются.

Аналогами для электрических выключателей среди трубопроводной арматуры будут задвижки на холодной и горячей воде на вводе в квартиру. Эти задвижки, или вентили, как правило, находятся в одном из состояний: «выключено» или «включено», собственного сопротивления они не имеют, и предназначение их состоит в подаче воды потребителю. А любой выключатель точно также подает потребителю (например, светильнику) электрический ток. Аналогия очевидна.

Чтобы найти аналог для штепсельной розетки, придется немного проявить фантазию. В розетку приходят два провода, и они не имеют между собой контакта. Еще бы, ведь это «фаза» и «ноль», о последствиях непосредственного соединения которых, думаю, рассказывать нет необходимости. Тока в розетке нет, если не включен потребитель. А когда потребитель включен, ток определяется его сопротивлением.

Что же является «фазой» для водопровода? Это, конечно, тонкая подводная труба, находящаяся под давлением. Рабочим «нулем» является отводная канализационная труба. Отличие от электропроводки здесь в том, что для воды вся окружающая среда является проводником, поэтому «фазный проводник» всегда нуждается в дополнительных запирающих устройствах (дросселях). В сантехнике эти дроссели можно звать кранами, и в закрытом состоянии они полностью берут на себя все давление (читай: напряжение), не допуская утечек.

В розетке, конечно, дроссели не ставят, а в остальном они очень похожи на кран, установленный над раковиной. Потребителем может быть, к примеру, стиральная машинка, заливной шланг которой подключен к гусаку, а сливной – направлен в раковину. Открываем кран на полную – его сопротивление падает практически до нуля, но короткого замыкания нет, потому что есть сопротивление машинки.

Кстати, короткое замыкание в водопроводе, – какое оно? Открываем кран над раковиной полностью, отключив вышеупомянутую машинку, и наблюдаем. Вода шумит и брызжется, и, возможно, даже раковина не справляется с прибывающим потоком. Но, все же, это не так впечатляюще, как электрическое короткое замыкание, буквально все сметающее на своем пути. Это означает, что водопровод более стоек к своим коротким замыканиям, и они для него являются рабочим режимом. Поэтому водопровод не оснащается «максимально-токовой защитой».

Конечно, приведенные аналогии весьма условны, и, в частности, никак не учитывают существование электромагнитных полей. Да и в электронику лезть с «водопроводными» представлениями об электрическом токе не стоит. Но на минимальном бытовом уровне сравнение с водопроводом может быть популярным и полезным.

Источник

Электричество как вода. #1

Электричество как вода. #1

так официально пишу первый раз — поэтому будет корявенько и неуверенно, но всё же я попробую.

___
9 мая в анонсе “Электричества Как Воды” я писал, что воду и ток можно сравнить с водой, выявить общие признаки и использовать эту схожесть для объяснения некоторых электрических явлений.

И с каждым разом я понимаю, что многие явления можно объяснить через воду: конечно же, не любые, но всё же достаточное количество.

Начну я с простых определений и разъяснений.

Как и у, наверное, всех явлений в физике у электричества есть свои характеристики. Вот некоторые из них:

1. Сила тока, I
2. Напряжение (Разность потеницалов), U
3. Заряд, q
4. Сопротивление, R
5. Мощность, P
6. Работа, Q
7. Ёмкость, C
8. Индуктивность, L

Все эти 8 “способов описания” я собираюсь переложить на воду.

Конечно же, не все сразу. 🙂

Начать было решено с Заряда.

Заряд, q.

Эта характеристика, наверное, самая понятная.

Ведь Заряд можно представить, как количество воды.

А в чём можно измерить количество воды? Конечно, же в литрах.

Таким образом Заряд — это количество воды, измеряемое в литрах, текущее по нашим трубам (проводам).

Заряд будет зависеть, собственно, от того, сколько мы его в эти трубы “залили”, и сколько капелек куда-нибудь просочилось, выпало, т.е. ушло в “никуда”.

Без воды у вас ничего и не потечёт.

Т.е. заряд нужен для обеспечения этой самой цепочки. Без него ничего не шевельнётся.

Заряд в физике измеряет в Кулонах. Нам это не надо, у нас, у “водяных электриков”, заряд будет в литрах. Окай? :]

Первый эпизод, кажется, закончил. Если что непонятно — обращаемся.

Всем спасибо. Продолжение следует. Надеюсь, моя форма изложения понятна даже людям, далёким от физики. Все ваши замечания на тему неясности , неточности, незаконченности изложения я обязательно приму в любом виде — “ведь я только учусь”.

Источник

Вода и электрический ток

Чтобы вещество смогло проводить электрический ток, в нем должны присутствовать заряженные частицы, способные свободно перемещаться через весь его объем под действием приложенного электрического поля. В металлических проводниках, например, такими заряженными частицами выступают свободные электроны, а в электролитах — положительно и отрицательно заряженные ионы.

Диэлектрики вовсе не проводят постоянный электрический ток, поскольку заряженные частицы в их структуре хотя и есть, однако они связаны друг с другом, и не могут свободно перемещаться, образуя ток.

Но переменный ток пропускают даже диэлектрики, это называется током смещения, например конденсатор в цепи переменного тока на определенной частоте будет проводить ток так, словно является проводником.

Обычная неочищенная вода

Что касается обычной воды (речной, водопроводной, особенно — морской и т. д.), то в ней всегда присутствуют растворенные минеральные вещества, которые под действием приложенного электрического поля распадаются на ионы, способные двигаться как в электролите.

По этой причине обычная неочищенная вода проводит ток, ведя себя подобно слабому электролиту. Если через такую воду попытаться пропустить ток, то в течение небольшого времени он будет через нее идти, хотя и слабо.

Теоретически идеально чистая вода

Теоретически, если воду полностью очистить от примесей, то есть удалить из ее объема абсолютно все вещества, включая соли, газы, остатки кислот, то она станет диэлектриком, и будет вести себя как изолятор.

В ней не будет ионов, способных двигаться под действием электрического поля и образовывать ток, а сами молекулы воды — электрически нейтральны. Такую воду можно было бы использовать, например, в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора.

Реальная дистиллированная вода

Но в реальности даже дистиллированная вода (вода, очищенная путем испарения с последующей конденсацией пара) не бывает абсолютно чистой.

Есть российский ГОСТ 6709-72, определяющий массовую концентрацию остатка примесей в такой дистиллированной воде — не более 5 мг на литр, и минимальное удельное сопротивление не менее 2 кОм*м.

То есть куб дистиллированной воды со стороной длиной в 1 метр, с приложенными к нему по краям электродами, будет иметь сопротивление минимум 2 кОм. А если представить разлитую по полу дистиллированную воду, скажем, в объеме одного стакана (200 мл), то ее сопротивление в лучшем случае окажется 200 кОм. Можно сказать, что это практически — диэлектрик.

Нет смысла пытаться использовать такую воду как проводник постоянного тока. С этой точки зрения дистиллированная вода не проводит электрический ток. Ее обычно используют для коррекции плотности электролитов.

Почему стоит опасаться контакта любой воды с электричеством

Однако люди не зря боятся контакта любой воды с электричеством, особенно — с переменным напряжением из розетки. Даже сетевое напряжение с провода, упавшего в лужу воды, на которую может случайно наступить человек, способно вызвать миллиамперный переменный ток, которого будет достаточно для причинения организму вреда.

Человеческое тело и фаза из розетки, соединенные через лужу разлитой воды, образуют цепь с реактивными элементами, и если человек в такой ситуации случайно коснется заземленного предмета, то его ударит током. Вот почему необходимо избегать контакта электричества с водой. Как вы понимаете, с дистиллированной водой риск причинения вреда меньше, но он все равно остается. Поэтому лучше избегать попадания любой воды на электрические приборы.

Источник

Электричество как вода. #3

Электричество как вода. #3

Привет водяным электрикам!

Третья часть эпопеи “Электричество Как Вода” начинается.

В прошлой части я задал вопросы, на которые пообещался ответить. Но, чтобы на них ответить, мне стоит объяснить ещё пару-тройку электрических характеристик, конечно же, на примере воды.

Достаточно простая водяная метафора для силы тока — расход. Расход воды. Количество литров за секунду. Т.е. сила тока во всей цепи — количество воды, проходящей по всем нашим соединённым трубам, за одну секунду.

Сила тока на резисторе (прибор, создающий сопротивление) — количество заряда, проходящего за секунду.

Если мы говорим про воду: расход воды в сужении трубы — количество прошедшей воды за 1 секунду.

Работа она и есть работа. На земле стояло 2 ведра, подняли на высоту 1 м — совершили работу.

Вода по трубам переместилась — совершила работу.

В электричестве за МЕРУ работы берётся не перемещение тока, а его физическое влияние на цепь, т.е. нагревание (и не только, но не берём во внимание). Ведь, когда ток проходит по всем нашим лампам, зарядникам, мониторам, он их нагревает.

И в итоге получается, что количество теплоты, которое цепь выделяет, = количество совершенной электричеством работы.

Мощность — величина, показывающая производительность, способность выполнять работу. Мощность определяет количество работы, которую кто-то может выполнить за 1 секунду. Т.е. работа, делённая на время.

Взять пример с вёдрами: если мы два ведра на 1 метр подняли за 4 секунды, то наша мощность — половина ведра в секунду. (два ведра за 4с, одно за 2с, половина за 1с). если мы два ведра подняли за 1 секунду, наша мощность — 2 ведра в секунду.

В электрических цепях мощность отдают (вырабатывают) источники тока/напряжения, а поглощают — лампочки, резисторы и всё остальное, имеющее сопротивление.

С характеристиками, кажется, разобрались.

А теперь ответы на вопросы из второй части:

А может ток быть, а напряжение — нет? А наоборот?

В идеальных моделях — да. В реальном мире — нет.

• Напряжение без тока: если замерить напряжение на выключателе света в комнате, когда он в положении “выключенного света”, мы увидим, что на нём есть напряжение, но ток по нему не идёт, потому что он в положении 0. В этом положении у него огромное сопротивление, которое не даёт течь току. Как труба, в которой закрыли кран: вода хочет литься, но кран не даёт. В раковине, в ванной, в кухне — напряжение есть, но не течёт — вы ж закрыли всё!
• Ток без напряжения: Представьте участок цепи от источника до лампочки. Вот перед вами провод. Лампочка горит. Ток есть. Если вы замерите напряжение на проводе, не замеряя ни на лампочке, ни батарейке, а просто на проводе, в двух близко расположенных точках — напряжения не будет. Лампочка горит — ток есть. Ток есть — напряжения нет.

Но в реальном мире всё-таки так не бывает. В первом случае сила тока через переключатель идти будет — но слишком маленькая, чтобы расшевелить цепь. Если бы сопротивление было бесконечным (идеальным) — тока не было. Но у переключателя сопротивление конечное (но огромное), поэтому по переключателю пойдёт ток, так называемый ток утечки. Но его значение будет мало и незначительно. Во втором случае напряжение всё-таки существовать будет — только тоже очень маленькое. Ведь у провода тоже есть сопротивление, вследствие которого возникает напряжение и небольшая потеря силы тока.

Такая разница возникает всё по той же причине: ничто не идеально.

Бьет от электричества напряжением или током?

Током. По вам же должно что-то течь. Чтобы задело. Т.е. током.

А в розетке что — напряжение или ток?

Напряжение. 220 Вольт. Ток возникает вследствие подключения приборов и прочего. Напряжение остаётся постоянным. (опять же в идеале, т.е. я не беру перегрузки и прочие причины падения напряжения)

А электросчетчик мотает что?

Работу тока. Т.е. мощность с электростанций, которую вся наша квартира потребила(если мы говорим о счётчиках в квартирах). Но для упрощения используют единицы — КилоВатт*Час. (скорее всего, упрощение сделано для сокращения цифры на счётчике, ведь, если бы работу замеряли в Ватт*Секунда, то число увеличивалось в 36000 раз, потому что в часе 3600 секунд, а приставка кило- равна тысяче Ватт) Т.е. если у вас целый час работал фен, потребляющий мощность, к примеру, 1000 Ватт (1 килоВатт) в час, то на счётчике будет 1 килоВатт*час. Если он работал два часа, на счётчике будет 2 килоВатт*час.

Но я придумал ещё! 😀

В чём разница между источником тока и источником напряжения?

В каких случаях какой источник нужно использовать?

Какими могут быть водные примеры двух типов источников?

Почему цепь должна быть замкнута?

Какой может быть пример электрической цепи через воду?

Источник