Как устроено электричество
Вся наша жизнь теснейшим образом связана с электричеством: от него работает искусственное освещение и компьютеры, питаются промышленные агрегаты и электротранспорт, заряжаются носимые гаджеты и различная аппаратура. Между тем, далеко не каждый взрослый человек полностью понимает, как устроена данная система. Сегодня мы постараемся объяснить читателям устройство электросетей так же, как его для доходчивости обычно рассказывают школьникам.
Безусловно, общая концепция большинству сравнительно ясна: где-то далеко есть электростанция, между ней и городами тянутся высоковольтные линии, а затем мы можем использовать пришедшее электричество, подключив прибор в розетку. Тем не менее, если попросить среднего человека разъяснить этот процесс детальнее, оказывается, что непонятного даже больше, чем того, в чём он твёрдо уверен. Некоторые люди и в зрелом возрасте испытывают своеобразное благоговение перед электричеством, не вдаваясь в детали без лишней необходимости.
Структура электросети
Проще всего провести аналогию между системой электроснабжения и… водопроводом с канализацией. Фактически между ними очень много общего – гораздо больше, чем люди могут себе представить. При этом структура водоснабжения и водоотведения для населения вполне прозрачна, а потому и объяснения понятны даже детям.
Главное физическое сходство между водой и электротоком состоит в том, что и то, и другое течёт в определённом направлении. Только в одном случае движущей силой этого процесса является давление в трубопроводе, а в другой – напряжение. Потому начнём с простого: в каком направлении течёт вода? Из ёмкости с большим давлением в ёмкость с меньшим. Если же разницы в параметрах между ними нет, и течения не будет. Электрический ток ведёт себя точно так же: он существует только на том отрезке провода, только между теми точками, которые имеют отличающийся потенциал. Аналогия тут простая: труба – это провод или кабель, давление в ней – это разность электрических потенциалов, а вода – это ток.
Вообще для многих взрослых людей самой простой, но при этом также отлично запоминающейся иллюстрацией будет шуточная картинка из старой советской книжки. На ней изображены три человечка – Ток, Напряжение и Сопротивление:
- Ток пытается протиснуться в узкое отверстие в трубе;
- Напряжение помогает ему в этом, толкая в нужном направлении;
- Сопротивление потуже затягивает верёвкой сужение в трубе, препятствуя прохождению Тока.
Разные виды аналогов из сферы водопровода можно подобрать и применительно к другим элементам сетей электроснабжения. Например, возьмём обычный выключатель. Что входит в его задачу? Вовремя подавать питание на электроприборы или перекрывать его. То же самое делает вентиль – кран в привычном бытовом представлении. При одном положении ручки управления вода и ток текут, а при другом – нет.
С таким краном-выключателем можно рассмотреть пример и посложнее. Так, если представить себе участок трубы с запорным вентилем посредине, то можно понять – он делит систему на две части: приходящую и отходящую. Многие привыкли видеть в электросистемах два контакта – фазу и ноль, однако не любая пара проводов складывается именно из них. К примеру, здесь такое правило не работает. В переложении на электричество приходящая часть действительно станет фазой, но и отходящая по факту останется фазой – просто отделённой выключателем. Если же говорить о потребителе энергии – светильнике, то к нему подходят как фаза, так и ноль. Ноль «становится» нулём только после прохождения фазой прибора.
Чуть сложнее с поиском прямой аналогии для розетки – здесь от читателей потребуется немного фантазии. Очень грубо утрируя, это изделие помогает соединить между собой подводящий и отводящий канал. По фазному проводу ток пришёл, как вода по водопроводной сети, а затем ушёл по нулевому, выполнив определённую работу, словно жидкость, слившаяся в канализацию. Полезная работа, которая была при этом совершена, тоже вполне понятна: в одном случае отработала бытовая техника или освещение, а в другом человек смог помыть руки или искупаться.
Вместе с тем, важно сказать, что ключевое отличие между двумя описанными явлениями всё же есть. Если открыть кран, вода будет бесконечно течь под давлением, которое создаёт система, и при этом неважно, подставит человек под неё свои руки или нет. Электричество же работает иначе: если потребитель не подключён, нет и тока – только напряжение, которое ожидает начала своей работы по его «проталкиванию» по проводам. При этом сила тока будет полностью определяться тем, каково соотношение напряжения и сопротивления проводника: высокий вольтаж «продавит» ток скорее, а низкий будет долго сражаться с противостоящим ему сопротивлением.
Ещё одно заметное отличие (но при этом и более очевидное) состоит в том, что вода может течь почти по любому каналу – человеку просто удобно направлять её по трубам. Электричество же для транспортировки нуждается в специальных материалах – проводниках. Без них оно не сможет перемещаться между точками в пространстве (по крайней мере, направленно и предсказуемо).
Кроме того, сравнение водопровода и электричества помогает размыть границы между розетками и выключателями. Все мы понимаем, что и те, и другие являются устройствами коммутации, но через систему водоснабжения это проще прочувствовать. Например, сколь бы значимо ни было то давление, которое придают воде на насосной станции, его останавливает простая запорная система – вентиль. На него оказывается максимальное давление, пока кран закрыт, и только лишь при эксплуатации водопроводной системы это напряжение временно снимается. Аналогичным образом такое «давление» принимают на себя как выключатели, разрывающие фазу, так и розетки, одновременно разрывающие фазу и ноль. Ни кран, ни выключатель, ни, уж тем более, розетка, не допускают утечки воды или тока, за счёт чего, в принципе, и обеспечивается стабильность работы системы. А что произойдёт, если на пути находится несколько запирающих устройств? Область повышенного давления просто переместится: к примеру, если подключить к трубам стиральную машинку и открыть вентиль подачи воды, некоторый её объём устремится вперёд, пока не упрётся в запорную систему машинки. Для электричества тем же самым будет следующий выключатель или физический разрыв – розетка.
Кстати, термин «утечка» одинаково понятен в обеих сферах. Как вода может утекать через самое маленькое отверстие в трубе, так и ток – через микроскопические трещины в изоляции провода. В первом случае помогут датчики протечки, а во втором – УЗО. Опять же: сами по себе утечки обычно не вредят системе, и она может почти нормально эксплуатироваться в течение ещё некоторого времени, но при этом последствия доставляют человеку существенный дискомфорт.
Отдельное внимание следует уделить аварийным режимам. В электрике мы говорим о перегрузке или коротком замыкании, но возможны ли они в сфере водопровода? Конечно, только водяные системы показывают заметно большую стойкость к таким явлениям. Перегрузкой можно назвать ситуацию, когда через систему с тонкостенными трубами малого диаметра пытаются прокачать большой объём воды под серьёзным давлением. В этом случае уж слишком велика вероятность, что трубы попросту разорвёт спустя всего несколько секунд или минут после начала эксплуатации, ведь они на это не рассчитаны. Так и слишком тонкие провода, которые нагрузили больше их паспортного предела, могут лопнуть – от существенного перегрева металла проводника и изоляции. Однако же, результат будет разный: вода продолжит хлестать после разрыва, а вот ток течь перестанет в отсутствие потребителя, как и было сказано ранее.
Немного иначе будет с коротким замыканием. В электрике это явление происходит из-за того, что фаза и ноль входят в контакт, но в системе водопровода снабжающая система и так напрямую соединена с отводящей – через смеситель, раковину и сифон. Таким образом, токи КЗ всегда угрожают коммуникациям и ведут к ещё большему повреждению имущества из-за своей величины. Однако, если в кране будет повышенный напор, вода просто выйдет из него с брызгами. Да, последнее может намочить пол, но затопить соседей вряд ли получится: если это всё же не порыв трубопровода (аналог – мощностная перегрузка), то система отвода справится с проблемой. Такое положение дел и есть прямым подтверждением того факта, что водопровод гораздо более стоек к аварийным ситуациям. По тем же причинам его не снабжают системами многоуровневого блокирования подачи воды, как это происходит с защитной автоматикой в электрике.
Пожалуй, для большинства людей основная сложность в восприятии тока, как чего-то сравнительно понятного и объяснимого, заключается в принципах расходования электроэнергии. Будем полностью честны: даже сегодня природа электричества не до конца изучена, и учёным предстоит проделать ещё очень много работы. Но объяснить мы можем многое.
Каждый из нас понимает: если взять яблоко и откусить от него кусочек – то есть, совершить некое действие и получить полезный эффект – фрукт уменьшится в размерах. Таким образом, на достижение результата уходит некоторое количество вещества. Но как же быть с электричеством, если научное объяснение гласит, что оно пришло по одному проводу и ушло по второму, заставив гореть лампочку? Вопрос, где же тогда «расход» и почему вообще существует то, чему нужно уходить по нулевому проводу.
И здесь нам снова придёт на помощь водопроводная сеть. Давайте подумаем: когда вода к нам приходит по трубам, мы используем её и возвращаем в природу через канализацию. Почему же нельзя так поступить с электричеством? Если мы можем взять чистую воду, загрязнить её, но при этом помыть руки, то и с током примерно та же ситуация. Его полезное свойство – обеспечивать текучесть электромагнитного поля, движение электронов. Нельзя сказать, что ток непосредственно «отдаёт» их лампочке, установленной в светильнике, но он всё же расходует свой потенциал на её свечение и, отработав своё, отводится по нулевому проводу, как вода по канализационной трубе.
Нам сложно разделить процесс прихода и ухода энергии в основном из-за того, что мы знаем о наличии двух контактов в системе. Обычно людям кажется, что оба провода приносят нечто волшебное от далёкого источника к потребителям в их квартирах, и эта субстанция превращается в свет, вращение двигателей, работу электронной техники и компьютеров. На самом же деле, электричество выполняет свои функции благодаря транзиту энергии между точками, а не её конечной доставке отдельно взятой люстре. При этом и источник, и сток этой энергии расположены в рамках цельной системы – в виде кабеля или розетки. Потому мысленно отделить один этап этого процесса от другого для нас и проблематично, потому он и кажется нам волшебным, а лампочку все считают пожирателем энергии, превращающим ток в свет. На самом же деле, и лучи, и тепловое излучение – это, скорее, побочные эффекты от протекания тока как природного явления, которые человечество сумело поставить себе на службу.
Подводя итоги, обязательно хотим внести ясность: вся приведённая выше информация призвана дать общее представление о том, как устроено электричество, помочь сформировать мнение об общей структуре и работе электросетей. Такие аналогии и иллюстрации – лишь условность, помогающая понять суть, но никак не научная истина. Здесь мы вообще не стали затрагивать тематику, связанную с существованием электромагнитных полей, а ведь именно они определяют свойства тока и его влияние на системы. В данном случае обсуждались скорее структурные моменты, сопряжённые с тем, как электричество устроено и приносит пользу. Физическое воплощение и широкое многообразие сопряжённых эффектов – это тема для отдельного материала, причём для читателей, хорошо знакомых с основами. Тем же, кто только сегодня разъяснил для себя не выученные в школе или университете азы, и по крупному счёту познакомился с общей структурой электросети лишь сейчас, не следует приниматься самостоятельно чинить всю проводку и электрофурнитуру в квартире, опираясь на прямые аналогии с водопроводом. На этом поприще слишком много более тонких материй и «подводных камней». Для решения задач, связанных с ремонтом электрики, всегда приглашайте специалиста!