Лекция на тему: «Электрический ток»

Электрический ток

Электрическим током называется упорядоченное направленное движение электрически заряженных частиц.

Мы с вами знаем, что заряда без частицы не может быть. Поэтому, направленное упорядоченное движение и будет у нас представлять не что иное, как электрический ток.

Стоит отметить, что электрический ток — это не просто движение направленное и упорядоченное, надо себе достаточно точно представлять, что же это такое. И в таком случае можно сказать следующее, что движение зарядов, конечно же может быть хаотично, беспорядочно, но на это хаотично и беспорядочное движение, накладывается еще одно движение, которое определяет смещение всех частиц по определенному направлению.

Вот такое движение и надо себе представлять, как электрический ток. То есть заряженные частицы движутся беспорядочно, но в этом движении есть смещение частиц в конкретном направлении. И как раз такое движение и будет не чем иным, как электрическим током.

Разумеется, нужно отметить тот факт, что частицы могут быть заряжены по-разному. Это могут быть и отрицательно заряженные частицы. Чаще, конечно, это электроны, а могут быть и положительно заряженные частицы — ионы. Но, конечно же, бывают и отрицательно заряженные ионы, которые тоже способны определять электрический ток.

Кроме этого следует сказать еще о том, что когда мы с вами какое-либо тело зарядим, то есть сообщим заряд этому телу, и это тело будет двигаться у нас в пространстве, то и такое движение можно назвать электрическим током.

Другими словами, если например, движется заряженный шарик, то этот шарик, конечно же, обладает зарядом, и соответственно он будет определять электрический ток.

Давайте рассмотрим простейший случай электрического тока. Этот электрический ток мы называем постоянным, то есть, когда электрические заряды не меняют свое направление движения и передвигаются с постоянной скоростью и при этом ток своего значения не изменяет, то, следовательно, этот ток является постоянным.

Сила тока

Для характеристики электрического тока применяют такую величину, как сила тока. Обозначают эту силу большой латинской буквой – I, а измеряют силу тока в амперах.

Однако для определения понятия «сила тока», нам нужно рассмотреть действия силы тока. Но, сам электрический ток мы с вами видеть не имеем возможности, а можем говорить о нем, когда наблюдаем его в действии.

 

Магнитное действие

И наконец-то третье действие, которое очень часто нам встречается – это магнитное действие электрического тока. Вот именно магнитное действие и положено в основу измерения определения того, что же такое сила тока.

Конечно же, силу тока определяют заряды, которые проходят или протекают через поперечное сечение проводника за единицу времени. Следовательно, сила тока будет определяться отношением количества электричества, которое прошло через поперечное сечение за единицу времени или за интервал времени.

Сила тока, как мы уже говорили, обозначается латинской буквой I и определяется она следующим образом, как отношение количества электричества, которое прошло через поперечное сечение проводника к промежутку времени, за которое этот заряд прошел через сечение проводника.

А сила тока измеряется в амперах. Обозначение Ампера появилось в честь физика Андре Мари Ампера из Франции, который достаточно много посвятил в своих работах изучению вопросов об электрическом токе. И еще важно знать, что 1 ампер является отношением количества электричества в один Кулон, прошедшего через сечение данного проводника за одну секунду.

Следует понимать, что электрический ток в таком случае может характеризоваться скоростью движения электрического заряда. Сила тока как раз и будет той самой характеристикой, которая определяет быстроту прохождения заряда через поперечное сечение данного проводника.

Прибор для измерения тока

Прибор для измерения силы тока называется амперметр. На данном приборе всегда ставится символ в виде буквы «А», которая говорит нам о том, что назначение этого прибора — измерение силы тока. На схеме амперметр, обозначается кружочком, в котором внутри ставится буква «А». А вот данные две черты обозначают соединительные провода, при помощи которых амперметр подключают в электрическую цепь.

Амперметр подключается в цепь последовательно, так чтобы весь электрический ток прошел через этот прибор.

Электрический ток можно сравнить с движением воды по трубе. А вот амперметр в таком случае, будет прибором, который измеряет скорость течения этой воды по трубе.

 

 

 

 

Какие существуют токи (электрические). Виды тока (постоянный и переменный), их особенности.

Многие должны были слышать, что электрический ток бывает разный (постоянный, переменный). Те, кто особо не знаком с темой электрики и электроники порой могут путаться в типах тока, когда подают электрическую энергию на то или иное электрооборудование. Для одних устройств нужно именно постоянное напряжение (ток), другие же питаются только от переменного. Поскольку эти виды тока принципиально разные, то ошибка при подаче питания может привести к не работе (в лучшем случае), а в худшем варианте просто вывести электрооборудование из строя.

Итак, напомню, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц (электронов) вдоль проводника. То есть, это простое, однонаправленное перемещение очень маленьких частичек (с огромной скоростью) внутри электрических проводников (в большинстве случаев металлов — медь, алюминий, серебро, золото и различных сплавов, хорошо проводящих ток).

 

Само же движение возникает по причине появления определённой разности электрических потенциалов, называемое напряжением. У электрического источника имеются два полюса, положительный (где сосредотачивается положительный заряд некой величины) и отрицательный (где сосредотачивается отрицательный заряд). Если нет замкнутой цепи между полюсами, то имеется только напряжение (стремление зарядов перейти на противоположный полюс). Как только цепь замыкается, появляется путь для прохождения зарядов в виде электрического проводника, то заряды стремительно начинают своё движение, что и создают их ТОК в проводнике.

Основных видов электрического тока существует два — постоянный и переменный (импульсный, это частичный случай переменного). Постоянный ток — это, не что иное как простое однонаправленное перемещение электрических зарядов в одну сторону. От одного полюса к другому без изменения направления во времени. На деле в твёрдых веществах (проводниках) электрический ток течет от минуса к плюсу (происходит перемещение отрицательных зарядов, электронов). В жидких и газообразных средах постоянный ток бежит, наоборот, от плюса к минусу (движение ионов, положительно заряженных частиц). В теоретической области было принято считать, что постоянный электрический ток всегда течет от плюса к минусу (при работе с принципиальными электрическими схемами).

Постоянный ток имеет постоянную величину своего напряжения (обычно наиболее используемые величины 3, 5, 6, 9, 12, 24 вольт). При работе его величина может изменяться всего на несколько процентов, по причине падения напряжения при динамической работе самой нагрузки (к примеру, постоянный электродвигатель, который может иметь плавающую механическую нагрузку на своём вале, ну и т. д.). Для постоянного напряжения (точнее электрических схем, работающие на постоянном типе тока) важно оставаться неизменным. Если схема рассчитана на постоянное напряжение 12 вольт, то и подаваться на неё должно строго 12 вольт с небольшим отклонением в несколько процентов. Для обеспечения этого используются различные решения начиная от правильно подобранных электрических деталей, компонентов, и заканчивая всевозможными электрическими, электронными схемами различных стабилизаторов, фильтров и т.д.

Постоянный ток имеет как свои достоинства, так и свои недостатки. Иначе бы использовался только этот тип электрического тока! Практически все электронные схемы нуждаются в питании именно постоянным током. Сам принцип действия и работа электронных элементов основан на этом виде тока. Также электрические аккумуляторы могут работать только с постоянным током, ну и т.д. Основным недостатком этого вида электротока является плохая передача электроэнергии на значительные расстояния (возникают большие потери). Кроме этого для его преобразования нужны более сложные электрические устройства.

Переменный электрический ток представляет собой упорядоченное, плавно изменяющееся (синусоидальное) движение электрических зарядов вдоль проводника, которое периодически меняет свои полюса. Наиболее распространённой частотой переменного тока является 50 Герц. То есть, за одну секунду направление тока в электрической цепи меняется с плюса на минус и наоборот аж 50 раз. Хотя это считается ещё и низкой частотой. Переменный ток может быть однофазным (используются 2 провода и напряжение между ними 220 вольт) или же трёхфазным (используются 3 фазных провода, напряжение между двумя любыми из них 380 вольт и один нулевой).

Переменный вид тока легко преобразуется и передается на большие расстояния с минимальными потерями на самой линии электропередач. Наиболее используемые величины переменного напряжения, от которых питаются конкретные электроприборы, это 220 вольт (напряжение для бытового использования населением) и 380 вольт (для промышленного использования, где важны именно 3 фазы). Для того, чтобы получить из одной величины тока или напряжения другую величину обычно применяют всего одно устройство, которое называется силовым трансформатором. На его вход подают одни значения напряжения или тока, а на выходе получают другие, более высокие или низкие.

P.S. Частным случаем переменного электрического тока можно считать импульсный ток, который может иметь различную форму, отличной от обычной синусоидальной. Данный вид электрического тока обычно используют в различной цифровой технике, в области электроники.

Зачем нужны транзисторы

Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

Что означает название «транзистор»

Транзистор не сразу получил такое привычное название. Первоначально, по аналогии с ламповой техникой его называли полупроводниковым триодом. Современное название состоит из двух слов. Первое слово – «трансфер», (тут сразу вспоминается «трансформатор») означает передатчик, преобразователь, переносчик. А вторая половина слова напоминает слово «резистор», — деталь электрических схем, основное свойство которой электрическое сопротивление.

Именно это сопротивление встречается в законе Ома и многих других формулах электротехники. 

Поэтому слово «транзистор» можно растолковать, как преобразователь сопротивления. Примерно так же, как в гидравлике изменение потока жидкости регулируется задвижкой. У транзистора такая «задвижка» изменяет количество электрических зарядов, создающих электрический ток. Это изменение есть не что иное, как изменение внутреннего сопротивления полупроводникового прибора.

Усиление электрических сигналов

Наиболее распространенной операцией, которую выполняют транзисторы, является усиление электрических сигналов.

Но это не совсем верное выражение, ведь слабый сигнал с микрофона таковым и остается.

Усиление также требуется в радиоприеме и телевидении: слабый сигнал с антенны мощностью в миллиардные доли ватта необходимо усилить до такой степени, чтобы получить звук или изображение на экране. А это уже мощности в несколько десятков, а в некоторых случаях и сотен ватт. Поэтому процесс усиления сводится к тому, чтобы с помощью дополнительных источников энергии, полученной от блока питания, получить мощную копию слабого входного сигнала. Другими словами маломощное входное воздействие управляет мощными потоками энергии.

Усиление в других областях техники и природе

Такие примеры можно найти не только в электрических схемах. Например, при нажатии педали газа увеличивается скорость автомобиля. При этом на педаль газа нажимать приходится не очень сильно – по сравнению с мощностью двигателя мощность нажатия на педаль ничтожна. Для уменьшения скорости педаль придется несколько отпустить, ослабить входное воздействие. В этой ситуации мощным источником энергии является бензин.

Такое же воздействие можно наблюдать и в гидравлике: на открытие электромагнитного клапана, например в станке, энергии, идет совсем немного. А давление масла на поршень механизма способно создать усилие в несколько тонн. Это усилие можно регулировать, если в маслопроводе предусмотреть регулируемую задвижку, как в обычном кухонном кране. Чуть прикрыл — давление упало, усилие снизилось. Если открыл побольше, то и нажим усилился.

На поворот задвижки тоже не требуется прилагать особых усилий. В данном случае внешним источником энергии является насосная станция станка. И подобных воздействий в природе и технике можно заметить великое множество. Но все-таки нас больше интересует транзистор, поэтому далее придется рассмотреть…

Усилители электрических сигналов

В большинстве усилительных схем транзисторы или электронные лампы используются как переменный резистор, сопротивление которого изменяется под действием слабого входного сигнала.

 Этот «переменный резистор» является составной частью электрической цепи постоянного тока, которая получает питание, например, от гальванических элементов или аккумуляторов, поэтому в цепи начинает протекать постоянный ток. Начальное значение этого тока (входного сигнала еще нет) устанавливается при настройке схемы.

Под действием входного сигнала внутреннее сопротивление активного элемента (транзистора или лампы) изменяется в такт входному сигналу. Поэтому постоянный ток превращается в переменный, создавая на нагрузке мощную копию входного сигнала. Насколько точной будет эта копия, зависит от многих условий, но об этом разговор будет позже.

Действие входного сигнала очень напоминает упомянутые выше педаль газа или задвижку в гидросистеме. Чтобы разобраться в том, что же является такой задвижкой в транзисторе, придется рассказать, хотя бы очень упрощенно, но верно и понятно о некоторых процессах в полупроводниках.

Электропроводность и строение атома

Электрический ток создается за счет движения электронов в проводнике. Для того, чтобы разобраться, как это происходит, придется рассмотреть строение атома. Рассмотрение, конечно, будет максимально упрощенное, даже примитивное, но позволяющее вникнуть в суть процесса, не более, чем нужно для описания работы полупроводников.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил планетарную модель атома, которая показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Планетарная модель атома

Согласно его теории атом состоит из ядра, которое, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Протоны являются носителями положительного электрического заряда, а нейтроны электрически нейтральны.

Вокруг ядра по орбитам вращаются электроны, электрический заряд которых отрицательный. Количество протонов и электронов в атоме одинаково, и электрический заряд ядра уравновешивается общим зарядом электронов. В таком случае говорят, что атом находится в состоянии равновесия или электрически нейтрален, то есть не несет положительного или отрицательного заряда.

Если атом потеряет электрон, то его электрический заряд становится положительным, а сам атом в этом случае становится положительным ионом. Если атом присоединяет к себе чужой электрон, то его называют отрицательным ионом.

На рисунке 2 показан фрагмент периодической таблицы Менделеева. Обратим внимание на прямоугольник, в котором находится кремний (Si).

Рисунок 2. Фрагмент периодической таблицы Менделеева

В правом нижнем углу находится столбик цифр. Они показывают, как распределены электроны по орбитам атома, — нижняя цифра самая ближняя к ядру орбита. Если внимательно приглядеться к рисунку 1, то с уверенностью можно сказать, что перед нами атом кремния с распределением электронов 2, 8, 4. Рисунок 1 объемный, на нем почти видно, что орбиты электронов сферические, но для дальнейших рассуждений можно считать, что они находятся в одной плоскости, и все электроны бегают по одной дорожке, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Латинскими буквами на рисунке отмечены оболочки. В зависимости от количества электронов в атоме их количество может быть разным, но не более семи: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. На каждой орбите может находиться определенное количество электронов. Например, на последней Q целых 98, меньше можно, больше нельзя. Собственно на это распределение в плане нашего рассказа можно внимания не обращать: нас интересуют только электроны, расположенные на внешней орбите.

Конечно, на самом деле все электроны вращаются вовсе не в одной плоскости: даже 2 электрона, которые находятся на орбите с именем K, вращаются по сферическим орбитам, расположенным очень близко. А что уж говорить об орбитах с более высокими уровнями! Там такое происходит… Но для простоты рассуждений будем считать, что все происходит в одной плоскости, как показано на рисунке 3.

В этом случае даже кристаллическую решетку можно представить в плоском виде, что облегчит понимание материала, хотя на самом деле все намного сложней. Плоская решетка показана на рисунке 4.

Рисунок 4.

Электроны внешнего слоя называют валентными. Именно они и показаны на рисунке (остальные электроны для нашего рассказа значения не имеют). Именно они участвуют в соединении атомов в молекулы, и при создании разных веществ определяют их свойства.

Именно они могут отрываться от атома и свободно блуждать, а при наличии некоторых условий создавать электрический ток. Кроме того, именно во внешних оболочках происходят те процессы, в результате которых получаются транзисторы – полупроводниковые усилительные приборы.

Ранее ЭлектроВести писали, что дожди могут стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии: ученые из Гонконга придумали новый тип электрогенератора с высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств. Их изобретение позволяет получать из падения одной капли воды с высоты 15 см напряжение свыше 140 вольт, а энергии этого падения хватит для питания 100 небольших светодиодных ламп.

По материалам: electrik.info.

Электроника как искусство: электрический ток / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Среднестатистическая грамотность населения в области электроники и электротехники оставляет желать лучшего. Максимум, спаять схемку, а как она работает — темный лес. К сожалению, все русскоязычные учебники пестрят формулами и интегралами, от них любого человека потянет в сон. В англоязычной литературе дела обстоят несколько лучше. Попадаются довольно интересные издания, но камнем преткновения здесь уже выступает английский язык. Постараюсь изложить основные понятия по электротехнике максимально доступно, в вольном стиле, не от инженера инженеру, а от человека человеку. Сведущий читатель, возможно, тоже найдет для себя несколько интересных моментов.

Электрический ток

Пути электрического тока неисповедимы. (с) мысли из интернета

На самом деле, нет. Все так или иначе можно описать с помощью математической модели, моделирования, да даже прикинув по-быстренькому на бумажке, а некоторые уникумы делают это в голове. Кому как удобнее. На самом деле, эпиграф этой главы родился от незнания, что же такое электрический ток.

Электрический ток характеризуется несколькими параметрами. Напряжением U и током I. Конечно, все мы помним определения по физике, но мало кто понимает их значения. Начну с напряжения. Разность потенциалов или работа по перемещению заряда, как сухо и неинтересно пишут в учебниках. На самом деле, напряжение всегда измеряется между двумя точками. Оно характеризует способность создавать электрический ток между этими двумя точками. Назовем эти точки источником напряжения. Чем больше напряжение, тем больше ток. Меньше напряжения – меньше ток. Но об этом чуть позже.

Что же такое ток? Представьте аналогию русло реки – это провода, электрический ток – это скорость потока воды в реке. Тогда напряжение здесь – перепад высоты между начальной точкой реки и конечной точкой. Или напряжение – это насос гоняющий воду, если река течет в одной плоскости. Такие аналогии на начальных этапах очень помогают понять, что же происходит в электрической схеме. Но, в конечном итоге, лучше от них отказаться. Лучше представить ток как некий поток электронов. Количество заряда, перемещаемое в единицу времени. Конечно, в учебниках говорится, что де электроны движутся со скоростью несколько сантиметров в минуту и значение имеет лишь электромагнитное поле, но пока забудем про это. Итак, под током можно понимать движение электрического тока, т.е. заряда. Носители заряда, электроны, отрицательно заряжены и двигаются от отрицательного потенциала к положительному, электрический ток же имеет направление от положительного потенциала к отрицательному, от плюса к минусу, так принято для удобства и так мы будем пользоваться в дальнейшем, забыв про заряд электрона.

Конечно, сам по себе ток не появится, нужно создать напряжение между двумя точками и нужна какая-либо нагрузка для протекания тока через нее, подключенная к этим двум точками. Очень полезно знать свойство, что для протекания тока нужно два проводника: прямой, до нагрузки, и обратный, от нагрузки до источника. Например, если не замкнуты проводники источника напряжения, то тока не будет.

Что же такое источник напряжения? Представим его в виде черного ящика, имеющего как минимум два вывода для подключения. Самые простые примеры из реальной жизни: электрическая розетка, батарейка, аккумулятор и т.п.

Идеальный источник напряжения обладает неизменным напряжением при протекании через него любого значения тока. Что же будет, если замкнуть зажимы идеального источника напряжения? Потечет бесконечно большой ток. В реальности источники напряжения не могут отдать бесконечно большой ток, потому что обладают некоторым сопротивлением. Например, провода в сетевой розетке 220в от самой розетки до подстанции имеют сопротивление, пусть и малое, но довольно ощутимое. Провода от подстанций до электростанций тоже имеют сопротивление. Нельзя забывать про полное сопротивление трансформаторов и генераторов. Батарейки имеют внутреннее сопротивление, обусловленное внутренней химической реакцией, которая имеет конечную скорость протекания.

Что же такое сопротивление? Вообще, это тема довольно обширная. Возможно, опишу в одной из следующих глав. Если кратко – это параметр, связывающий ток и напряжение. Оно характеризует, какой ток потечет при приложенном напряжении к этому сопротивлению. Если говорить «водной» аналогией, то сопротивление – это дамба на пути реки. Чем меньше отверстие в дамбе – тем больше сопротивление. Эту связь описывает закон Ома: . Как говорится: «Не знаешь закон Ома, сиди дома!».

Зная закон Ома, не сидя дома, имея какой-либо источник тока с заданным напряжением и сопротивление в виде нагрузки, мы очень точно можем предсказать какой потечет ток.
Реальные источники напряжения имеют какое-то свое внутреннее напряжение и отдают некий конечный ток, называемый током короткого замыкания. При этом батареи и аккумуляторы еще и разряжаются со временем и имеют нелинейное внутреннее сопротивление. Но пока тоже забудем об этом, и вот почему. В реальных схемах удобнее проводить анализ с использованием сиюминутных мгновенных значений напряжения и тока, поэтому будем считать источники напряжения идеальными. За исключением того факта, когда потребуется посчитать максимальны ток, который способен отдать источник.

Насчет «водной» аналогии электрического тока. Как я уже писал, она не очень правдива, поскольку скорость движения реки до дамбы и после дамбы будет разным, также разным будет кол-во воды до и после дамбы. В реальных схемах электрический ток втекающий в резистор и вытекающий из него будет равен между собой. Ток по прямому проводу, к нагрузке, и по обратному проводу, от нагрузки до источника, тоже равен между собой. Ток ни откуда не берется и никуда не девается, сколько «втекло» в узел схемы, столько и «вытечет», даже если путей несколько. Например, если есть два пути протекания тока от источника, то он потечет по этим путям, при этом полный ток источника будет равен сумме двух токов. И так далее. Это и есть иллюстрация закона Кирхгофа. Это очень просто.

Также есть еще два важных правила. При параллельном соединении элементов, напряжение в каждом из элементов одинаково. Например, напряжение на резисторе R2 и R3, на рисунке выше, одинаковы, но токи могут быть разными, если резисторы имеют разные сопротивления, по закону Ома. Ток через батарейку равен току на резисторе R1 и равен сумме токов на резисторах R2 и R3. При последовательном соединении напряжения элементов складываются. Например, напряжение которое выдает батарея, т.е. ее ЭДС, равно напряжению на резисторе R1 + напряжение на резисторе R2 или R3.

Как я уже писал, напряжение измеряется всегда между двумя точками. Иногда, в литературе можно встретить: «Напряжение в точке такой-то». Это означает напряжение между этой точкой и точкой нулевого потенциала. Создать точку нулевого потенциала можно, например, заземлив схему. Обычно «землят» схему в месте самого отрицательно потенциала около источника питания, например, как на рисунке выше. Правда это бывает не всегда, да и применение нуля довольно условно, например, если нам нужно двухполярное питание +15 и -15 вольт, то «землить» надо уже не -15в, а потенциал посредине. Если же заземлить -15в, то мы получим 0, +15, +30в. См. рисунки ниже.

Заземление также применяется в качестве защитного или рабочего. Защитное заземление называют зануление. Если нарушится изоляция схемы в каком-нибудь другом участке, отличном от земли, то по нулевому проводу потечет большой ток и сработает защита, которая отключит часть схемы. Защиту мы должны предусмотреть заранее, поставив автоматический выключатель или иное устройство на пути протекания тока.

Иногда «землить» схему нельзя или невозможно. Вместо земли применяют термин общая точка или ноль. Напряжения в таких схемах указываются относительно общей точки. При этом вся схема относительно земли, т.е. нулевого потенциала может располагаться где угодно. См. рисунок.

Обычно, Xv близко к 0 вольт. Такие незаземленные схемы с одной стороны более безопасны, поскольку если человек прикоснется одновременно к схеме и земле ток не потечет, т.к. нет обратного пути протекания тока. Т.е. схема станет «заземлена» через человека. Но с другой стороны такие схемы каверзны. Если вдруг нарушится изоляция схемы от земли в какой-либо ее точке, то мы этого не узнаем. Что может быть опасно, при больших напряжениях Xv.

Вообще земля — это термин довольно обширный и расплывчатый. Есть очень много терминов и названий земли, смотря где «землить» схему. Под землей может пониматься как защитная земля, так и рабочая земля (по протеканию тока через нее при нормальной работе), как сигнальная земля, так и силовая земля (по роду тока), как аналоговая земля, так и цифровая земля (по роду сигнала). Под землей может пониматься общая точка или наоборот, под общей точкой пониматься земля или и быть ей. Также в схеме могут присутствовать все земли одновременно. Так что надо смотреть по контексту. Есть даже такая забавная картиночка в иностранной литературе, см. ниже. Но обычно земля – это схемные 0 вольт и это точка от которой измеряют потенциал схемы.

До сих пор, упоминая источник напряжения, я не касался рода этого самого напряжения. Напряжение есть меняющееся со временем и есть не меняющееся. Т.е. переменное и постоянное. Например, напряжение, меняющееся по синусоидальному закону всем хорошо знакомо, это напряжение сети 220в в бытовых розетках. С постоянным напряжением работать очень просто, мы это уже делали выше, когда рассматривали закон Кирхгофа. А что же делать с переменным напряжением и как его рассматривать?

На рисунке приведены несколько периодов переменного напряжения 220в 50Гц (синяя линия). Красная линия – постоянное напряжение 220в, для сравнения.

Определимся, сначала что такое напряжение 220в, кстати, по новому стандарту положено считать 230в. Это действующее значение напряжения. Амплитудное значение будет в корень из 2х раз выше и составит примерно 308в. Действующее значение – это такое значение напряжения, при котором за период переменного тока в проводнике выделяется столько же теплоты, сколько и при постоянном токе такого же напряжения. Выражаясь математическим языком – это среднеквадратичное значение напряжения. В английской литературе используется термин RMS, а приборы, которые измеряют истинное действующее значение имеют знак «true RMS».

На первый взгляд это может показаться неудобным, какое-то действующее значение, но это удобно для расчетов мощности без необходимости конвертации напряжения.

Переменное напряжение еще удобно рассматривать как постоянное напряжение, взятое в какой-либо точке времени. После чего проводить анализ схемы несколько раз, изменяя знак постоянного напряжение на обратный. Сначала рассмотреть работу схемы с постоянным положительным напряжением, потом, изменить знак, с положительного на отрицательный.
Для переменного напряжения также необходимо два провода. Они называются фаза и ноль. Иногда ноль заземляют. Такая система называется однофазной. Напряжение фазы измеряется относительно нуля и меняется со временем, как показано на рисунке выше. При положительной полуволне напряжения ток протекает от фазы к активной нагрузке и от нагрузки возвращается обратно по нулевому проводу. При отрицательной полуволне ток течет по нулевому проводу и возвращается по фазному.

В промышленности широко применяют трехфазную сеть. Это частный случай многофазных систем. По сути все тоже самое, что и однофазная система, только умноженная на 3, т.е. применение одновременно трех фаз и трех земель. Впервые изобретено Н. Тесла, впоследствии усовершенствовано М. О. Доливо-Добровольским. Усовершенствование состояло в том, что для передачи трехфазного электрического тока можно было выкинуть лишние провода, достаточно четырех: три фазы ABC и нулевой провод или же вовсе три фазы, отказавшись от нуля. Нулевой провод очень часто заземляют. На рисунке ниже ноль общий.

Почему же 3 фазы, и не больше, не меньше? С одной стороны, 3 фазы гарантированно создают вращающееся магнитное поле, так необходимое электрическим двигателям для вращения или получаемое от генераторов электростанций, с другой стороны это экономически выгодно с материальной точки зрения. Меньше нельзя, а больше и не нужно.

Чтобы гарантировано создавать вращающееся поле в трехфазной сети нужно чтобы фазы напряжения были сдвинуты друг относительно друга. Если принять полный период напряжения за 360 градусов, то 360/3 = 120 градусов. Т.е. напряжение каждой фазы сдвинуто относительно друг друга на 120 градусов. См. рисунок ниже.

Здесь показан график напряжения 3-х фазной сети 380в по времени. Как видно из рисунка, все тоже самое, что и с однофазной сетью, только напряжений стало больше. 380в – это так называемое линейное напряжение сети Uл, т.е. напряжение, измеряемое между двумя фазами. На рисунке показан пример нахождения мгновенного значения Uл. Оно также изменяется по синусоидальному закону. Также наряду с линейным напряжением различают фазное Uф. Оно измеряется между фазой и нулем. Фазное напряжение в данной трехфазной сети равно 220в. Под фазным и линейным напряжение, конечно же подразумевается действующее напряжение. Соотносятся линейное к фазному напряжению, как корень из трех.

Нагрузку к трехфазной сети можно подключать как угодно – к фазному напряжению: между какой-либо фазой и нулем, либо к линейному напряжению: между двумя фазами. Если нагрузка подключена к фазному напряжению, то такая схема соединения называется звездой. Она и показана выше. Если к линейному напряжения – то соединение треугольником. Если одинаковая нагрузка подключается к линейным напряжениям между всеми тремя фазами, то такие сети симметричные. Ток через нулевой провод в симметричных сетях не течет. См рис. ниже. Промышленные сети также считаются условно симметричными. Как правило ноль в таких сетях присутствует, но лишь в защитных целях. Иногда может и отсутствовать вообще. Веселая картиночка из вики наглядно иллюстрирует как протекает ток в таких сетях.

На этом кратенький обзор по электросетям и электричеству завершен. Возможно в будущем объясню на пальцах как работает диод и транзистор, что такое стабилитрон, тиристор и другие элементы. Пишите, про что вам интересно почитать.

Библиографический список

1. Искусство схемотехники, П. Хоровиц. 2003.
2. GROUNDS FOR GROUNDING. A Circuit-to-System Handbook, Elya B. Joffe, Kai-Sang Lock.
3. Wiki и интернет ресурсы.

Электрический ток | Электричество | Физика

Человечество издавна стремилось не только узнать побольше о законах природы, но и научиться пользоваться ими для достижения своих целей. И если практическое применение явлений, связанных с неподвижными электрическими зарядами, не слишком распространено, то вот с подвижными зарядами – все совсем наоборот.

В этом параграфе мы с вами попробуем разобраться в том, что такое электрический ток. Кроме того, скажем несколько слов о его направлении (тут есть о чем поговорить) и о том, какие условия необходимы для его возникновения.

Прежде всего, представьте себе два одинаковых железных шара, находящихся на некотором расстоянии друг от друга и жестко закрепленных на своих местах. Допустим, что нам удалось сообщить первому из них положительный заряд, а второму – отрицательный.

Теперь нам понадобится штука под названием “проводник”. Так называют тело, состоящее из вещества, хорошо проводящего электрический ток. Тонкий стержень, сделанный из какого-нибудь металла, например меди, отлично подошел бы на эту роль. С его помощью соединим наэлектризованные железные шары.

Сделав это, мы сперва не увидим ничего особенного. Но после окончания эксперимента мы обнаружим, что наши шары стали нейтральными, то есть больше не обладают тем или иным электрическим зарядом.

Как это объяснить? В первом параграфе, посвященном электричеству, мы уже обсуждали с вами строение атома, в частности частицы, вращающиеся вокруг атомного ядра, – электроны, которые обладают минимальным из всех возможных электрических зарядов (давайте пока что не будем обращать внимания на кварки с их дробными зарядами).

Когда речь о макроскопических телах вроде шаров из примера наверху, наличие у них какого-либо электрического заряда означает переизбыток (в случае с отрицательным зарядом) или, наоборот, нехватку электронов (в случае с положительным зарядом). Соответственно, когда мы соединяем шары проводником, мы предоставляем возможность электронам, находящимся на отрицательно заряженном шаре перебраться на положительно заряженный шар, что они не могут не сделать из-за действующих на них кулоновских сил. Таким образом, происходит восстановление баланса.

Что интересно, так это то, что электроны в нашем примере двигались определенным, в некоторой степени согласованным образом. Пусть ненадолго, но все-таки в течение какого-то времени мы имели дело с направленным упорядоченным движением заряженных частиц – электрическим током.

Ну что ж, не самое трудное определение. Гораздо больше проблем у людей возникает, когда они начинают разбираться с направлением электрического тока. Тут действительно можно запутаться.

Дело в том, что на заре серьезных исследований, связанных с электричеством, ученые понятия не имели о том, что является носителем заряда в проводниках. Это сейчас мы понимаем, что носителями заряда, например, в металлах, являются свободные электроны (то есть такие электроны, которые не слишком сильно сцеплены с тем или иным атомным ядром, а потому имеют возможность перемещаться из одного места в другое). Электроны имеют отрицательный заряд, а потому ток должен течь от “минуса” к “плюсу”.

При этом электроны были открыты только в конце 19 века. У ученых, живших в более ранние времена, таких сведений, как у нас, не было, и в середине 18 века они решили, что в случае с током речь идет о движении положительных зарядов, то есть о движении от “плюса” к “минусу”. Поэтому они и договорились считать направлением тока то направление, которое в итоге оказалось прямо противоположным истинному. Это договоренность сохраняется до наших дней.

А почему люди не отказались от традиции, когда правда открылась? Ну, не так-то это легко, привычка обладает огромной силой. Например, представьте, что нам в какой-нибудь момент сказали бы, что ручка теперь будет не “ручкой”, а “акчуром”. Никто бы не соблюдал это новое правило, даже если бы оно было обусловлено какой-нибудь логикой. Так же получилось и с током. Люди 150 лет считали, что он движется от “плюса” к “минусу”, а когда узнали, как все обстоит на самом деле, решили, что уже поздно что-либо менять.

Наконец давайте обсудим еще один немаловажный вопрос. В нашем примере мы действительно получили электрический ток, но вот загвоздка: длилось это лишь ничтожные доли секунды. Как нам получить “долгоживущий” ток, который мог бы существовать минуты, часы, дни, а то и больше?

Сперва попробуем понять, какие условия должны сложиться для возникновения хоть какого-нибудь тока, опираясь, опять же, на пример с шарами.

Первое, на что можно обратить внимание, – это наличие проводника. Если бы мы соединили заряженные шары при помощи не медного, а, скажем, стеклянного стержня, тока бы не было, так как стекло – это диэлектрик (вещество, плохо пропускающее электрический ток), его устройство не предусматривает наличие свободных электронов. А это как раз то, что нам нужно для возникновения хотя бы мгновенного тока.

Второе важное условие – это наличие электрического поля. Если бы шары были не заряжены еще в самом начале эксперимента, их соединение при помощи медной проволоки нам никак бы не помогло. Ведь еще из электростатики мы помним, что заряженные частицы перемещаются как раз под действием электрического поля.

Все эти условия мы соблюдали и в результате получили быстро закончившийся электрический ток. Как же продлить его существование? Сначала можно предположить, что нам следует постоянно стоять рядом с шарами и сообщать им какие-то электрические заряды при помощи эбонитовых палочек или как там это делается на уроках физики. Но, согласитесь, это не очень неудобно. Гораздо лучше бы реализовать принцип циркуляции, как, например, в фонтанах, где при помощи насоса одна и та же вода совершает множество циклов. То есть было бы отлично после прибытия электронов на положительно заряженный шар собирать их и переправлять обратно, на отрицательно заряженный шар, начиная все с начала.

Да, но проблема в том, что электроны тоже имеют отрицательный заряд и на них со стороны второго шара будет действовать кулоновская сила отталкивания. Требуется сила, которая могла бы совершать работу по перемещению электрического заряда против этих самых кулоновских сил. Такую силу называют сторонней. Именно она нам и нужна. Точнее, нам нужно устройство, в котором сторонние силы совершали бы работу по перемещению электрического заряда. Такое устройство называют источником тока.

Источники тока бывают разные. К ним относятся и солнечные батареи, и термоэлементы, и электрические генераторы. Кроме того, есть и химические источники тока, которые были сделаны самими первыми. Они работают за счет химических реакций, протекающих внутри них.

Примером химического источника тока является хорошо всем знакомая батарейка. За счет достаточно сложных химических процессов, происходящих внутри нее, ее полюса электризуются. На выступающем из корпуса стрежне скапливается положительный заряд, а на самом корпусе – отрицательный. При подключении батарейки в замкнутую электрическую цепь мы получим циркуляцию электрического заряда, другими словами, постоянный электрический ток.

Интересные факты об электричестве | ИГЭУ

 

 

Интересные факты об электричестве

Электрические угри могут поразить электрическим током напряжением около 500 вольт для самообороны и во время охоты.

Крупнейший в мире источник энергии для электростанций — это уголь. Сжигание угля в топках котлов нагревает воду, а поднимающийся пар вращает турбины генераторов.

Молния — разряд электричества в атмосфере, достигающий десятков тысяч вольт.

Электричество играет важную роль в здоровье человека. Мышечные клетки сердца сокращаются и производят электроэнергию. Электрокардиограмма (ЭКГ) измеряет ритм сердца благодаря этим импульсам.

В далекие 1880-е была «война токов» между Томасом Эдисоном (который придумал постоянный ток) и Николой Теслой (который открыл переменный ток). Оба хотели, чтобы их системы широко использовались, но победил переменный ток за простоту получения, больший КПД и меньшую опасность.

Интересно, что американский президент Бенджамин Франклин провел обширные исследования электричества в 18 веке и изобрел громоотвод.

Древние греки считали, что больше всего янтаря находят на побережье Северного моря. Именно там Фаэтон был повержен молнией на землю. Вероятно, что они видели связь между молнией и свойствами янтаря.

Словарь Академии Российской 1794 года издания так описывал когда-то электричество: «Вообще это означает действие вещества весьма текучего и тонкого, свойствами своими весьма различного от всех жидких известных тел; имеющее способность сообщаться почти со всеми телами, но с иными более, с другими менее, движущееся с необъятной скоростью и производящее своим движением весьма странные явления».

В конце 30-х годов 18 века член Парижской Академии Шарль Ф. Дюфе писал: «Возможно, что в конце концов удастся найти средство для получения электричества в больших масштабах и, следовательно, усилить мощь электрического огня, который во многих из этих опытов представляется… как бы одной природы с молнией».

В старину место разряда молнии в землю указывало грабителям скифских курганов, что именно здесь зарыты сокровища. Понятно, что молнии бьют в курганы, содержащие металлическую «начинку».

Аналогично, что на Руси место, куда попала молния, считалось лучшим для рытья колодца. Вероятность близкой воды была очень высока!

Не зря знаменитого Луиджи Гальвани, вовсе даже не физика, прозвали когда-то волшебником. Он заставлял шевелиться трупы телят, кошек, мышей и лягушек! В его честь названы химические источники тока — гальванические элементы.

Изучение статического электричества начиналось с помощью простейшего прибора: металлический диск, стеклянная ручка, кошка, сургучная подушка, палец. Именно с таким набором «инструментов» работал знаменитый Алессандро Вольта.

Вероятно, одной из первых электрических цепей была живая электрическая цепь, составленная из 180 взявшихся за руки солдат Людовика XV, которые содрогались от проходившего через них разряда Лейденской банки во время опыта при дворе короля.

Многие единицы физических величин в электротехнике носят имена ученых. Но интересно, что лишь один из них, а это был Георг Ом, дважды удостоен такой чести. Всем знакома единица измерения сопротивления «Ом», но оказывается, что в некоторых странах физическую величину, обратную сопротивлению — электропроводность, измеряют в величинах, называющихся «мо».

Казус, но! В 1827 году немец по имени Георг Ом, снискавший позднее всемирную славу, не сдал экзамен и не был допущен к преподаванию физики в школе из-за крайне низкого уровня знаний и отсутствия педагогических способностей.

Интересно, что к широкому использованию переменного тока, полученного еще в 30-х годах 19 века, приступили лишь спустя 70 лет! Передачу переменного тока с помощью высоковольтных ЛЭП пытались даже запретить законом. Среди противников переменного тока был и Томас Эдисон!

Знаете ли вы, что в некоторых районах Южной Америки и Африки, где не было проведено электричество, можно было внутри жилища увидеть закрытые стеклянные банки, наполненные светляками! Такие «лампы» давали на зависть яркий свет!

Ученые считают, что мы все могли неоднократно наблюдать движение частиц со скоростью, вдвое меньшей скорости света, по каналу диаметром в 1,27 см. Это всякий раз происходит в молнии!

Тематическую подборку подготовила Л.А. Попова

Почему выбраны отрицательно заряженные электроны? Разве не было бы разумнее называть электроны положительно заряженными, потому что, двигаясь, они производят электричество?

Категория: Физика Опубликовано: 18 декабря 2012 г.

Электрические токи в знаке газового разряда переносятся как электронами, так и ионами. Перемаркировка электронов как положительных потребует перемаркировки движущихся ионов как отрицательных, и ничего не будет достигнуто. Public Domain Image, источник: NIH.

Во-первых, «электричество» не означает «движущийся электрический заряд». Если «электричество» означало «движущийся электрический заряд», то «статическое электричество» означало бы «стационарный движущийся электрический заряд», что не имеет смысла. «Электричество» — это общий термин, описывающий все эффекты, связанные с электрическими зарядами. Когда люди используют слово «электричество» для описания того, что происходит в электрическом проводе, они обычно имеют в виду «электрический ток».

Во-вторых, электрический ток — это не просто сгусток движущихся электрических зарядов.Электрический ток — это движение чистых, электрических зарядов, и движение возмущений электрического поля, связанных с зарядами. Вот почему электрические сигналы в проводе, такие как телефонные звонки, распространяются со скоростью света, в то время как сами электроны движутся намного медленнее. Если бы электрические токи были не чем иным, как движущимися электронами, то вашему голосу во время телефонного разговора потребовалось бы 6 месяцев, чтобы достичь другого конца города. Объекты в материале, которые вносят наибольший вклад в электрический ток, называются носителями заряда.

В-третьих, носители электрического заряда не всегда электроны и не всегда отрицательны. Фактически, в естественном мире носителями заряда обычно являются , а не просто электронов. У животных переносчиками электрического заряда в первую очередь являются ионы натрия, калия, кальция и магния, причем все они заряжены положительно. Это то, что движется, когда нерв передает электрический сигнал. В ионосфере носителями заряда наряду с электронами являются ионы кислорода, водорода и гелия.В знаке газового разряда электрический ток возникает за счет ионов и электронов. В молнии движутся как ионизированные молекулы воздуха, так и электроны. Солнечный ветер на самом деле представляет собой выброс электрического тока от Солнца, состоящий из протонов и электронов. В полупроводниках, подобных тем, которые используются в компьютерных микросхемах, носителями заряда являются дырки и электроны. В океане электрический ток поддерживает движение ионов соли, а не электронов. В металлах, как и в бытовом электрическом проводе, носителями заряда действительно являются просто электроны.Переименование электронов в положительно заряженные потребовало бы переименования почти всех других носителей заряда как отрицательно заряженных. Такое действие, вероятно, сделало бы вещи менее простыми, а не более. Бенджамин Франклин был первым, кто назвал электроны отрицательными, а протоны — положительными. Согласно учебнику «Физика для ученых и инженеров» Раймонда А. Сервея, Франклин идентифицировал носители электрического заряда после серии экспериментов с трением. Не зная основ физики, он просто сделал разумный для него выбор, назвав электроны отрицательными.

Темы: условное обозначение заряда, электрический заряд, электрический ток, электричество, электромагнетизм, электрон, электроны

ACT Science — ACT Science

Магниты и электрические заряды имеют определенное сходство. Например, как магниты, так и электрические заряды могут оказывать воздействие на окружающую среду. Эта сила, создаваемая магнитом, называется магнитным полем. Когда она создается электрическим зарядом, сила называется электрическим полем.Было замечено, что сила как магнитного, так и электрического полей обратно пропорциональна квадрату расстояния между магнитом или электрическим зарядом и объектами, на которые они влияют.

Ниже трое ученых обсуждают связь между электричеством и магнетизмом.

Ученый 1:

Электричество и магнетизм — два разных явления. Такие материалы, как железо, кобальт и никель, содержат магнитные домены: крошечные области магнетизма, каждая с двумя полюсами.Обычно домены имеют случайную ориентацию и не выровнены, поэтому магнетизм некоторых доменов компенсирует магнетизм других доменов; однако в магнитах домены выстраиваются в одном направлении, создавая два полюса магнита и вызывая магнитное поведение.

Напротив, электричество — это движущийся электрический заряд, который вызывается потоком электронов через материал. Электроны текут через материал из области с более высоким потенциалом (более отрицательный заряд) в область с более низким потенциалом (более положительный заряд).Мы можем измерить этот поток электронов как ток, который относится к количеству заряда, передаваемому за период времени.

Ученый 2:

Электричество и магнетизм — подобные явления; однако одно не сводится к другому. Электричество включает в себя два типа зарядов: положительный и отрицательный. Хотя электричество может присутствовать в движущейся форме (в форме тока или электрического заряда, движущегося по проводу), оно также может возникать в статической форме. Статическое электричество не требует движущихся зарядов.Вместо этого объекты могут иметь чистый избыток положительного заряда или чистый избыток отрицательного заряда — из-за потери или приобретения электронов соответственно. Когда два статических положительных электрических заряда или два статических отрицательных электрических заряда сближаются, они отталкиваются друг от друга. Однако когда положительный и отрицательный статический заряд объединяются, они притягиваются друг к другу.

Точно так же все магниты имеют два полюса. Одинаковые магнитные полюса отталкиваются друг от друга, а разные магнитные полюса притягиваются.Магниты и статические электрические заряды схожи в том, что они проявляют притяжение и отталкивание в одинаковых обстоятельствах. Однако, хотя в природе существуют изолированные статические электрические заряды, единых изолированных магнитных полюсов не существует. Все магниты имеют два полюса, которые нельзя отделить друг от друга.

Ученый 3:

Электричество и магнетизм — два аспекта одного и того же явления. Движущийся поток электронов создает вокруг себя магнитное поле. Таким образом, везде, где существует электрический ток, будет также существовать магнитное поле.Магнитное поле, создаваемое электрическим током, перпендикулярно направлению потока электрического тока.

Кроме того, магнитное поле может индуцировать электрический ток. Это может произойти, когда провод перемещается поперек магнитного поля или когда магнитное поле перемещается рядом с проводящим проводом. Поскольку магнитные поля могут создавать электрические поля, а электрические поля могут создавать магнитные поля, мы можем понимать электричество и магнетизм как части одного явления: электромагнетизма.

Quia — Карточки по науке 4.3 Электричество

A	B
Какое электричество работает в вашем доме или когда вы подключаете цепь к батареям?	текущее электричество
Когда электричество включено, ток течет через _____.	схема
Какой вид электричества был открыт первым?	статическое электричество
_____ электричество рассматривается как искра после трения предметов друг о друга.	Статический
_____ — это поток электрического заряда или поток электронов в проводе.	Электрический ток
Что мы называем материалами, которые позволяют электрическому заряду легко проходить через них?	Проводники
Какой пример проводника?	серебро, медь, алюминий
Почему металлы являются хорошими проводниками?	Металлы являются хорошими проводниками, потому что их электроны текут более свободно, чем электроны в других твердых телах.
Все, что замедляет прохождение электрического заряда в материале, называется _____.	сопротивление
Сопротивление изменяет электрическую энергию на _____ и _____.	тепло и свет
_____ — это вещество, которое проводит очень мало электричества.	изолятор
Назовите несколько примеров изоляторов.	пластик, стекло, дерево
Цепь, которая регулирует движение электрической энергии, является _____.	замкнутая цепь
Цепь, предотвращающая движение электрической энергии, _____.	обрыв цепи
Опишите последовательную цепь.	Ток движется только по одному пути.
Опишите параллельную цепь.	Течение может двигаться более чем по одному пути.
Какой тип Ciruit управляет электроприборами в вашем доме?	параллельная цепь
Каков был вклад Бенджамина Франклина в производство электроэнергии?	Он доказал, что молния — это форма электричества, и помог разработать громоотвод.
Кто изобрел лампу накаливания и фонограф и спроектировал первую в мире электростанцию?	Томас Эдисон
Кто создал электромагнит?	Майкл Фарадей
Как сделать электромагнит?	Оборачивая проволоку вокруг железосодержащего металла (гвоздь) и создавая замкнутую цепь
Непрерывный поток отрицательных зарядов (электронов) создает _____.	электрический ток
Путь, по которому проходит электрический ток, равен _____.	схема
Разряд статического электричества в атмосфере называется _____.	молния
Электрическая энергия может быть преобразована в _____, _____ или _____.	тепло, свет или механическая энергия
Электрический ток создает _____.	магнитное поле
Движущееся магнитное поле создает ______.	электрический ток
Ток, протекающий по проводу, создает ______.	магнитное поле
Некоторые железосодержащие металлы притягивают _____, _____ и _____.	железо, кобальт и никель

В чем разница между электрическим полем, напряжением и током?

Я надеюсь, что вы никогда не окажетесь в ситуации, когда вам угрожает обрушенная, но находящаяся под напряжением линия электропередачи. Однако, если это когда-либо произойдет, рекомендуемая процедура безопасности — уйти крошечными, перемешанными шагами.Этот тип движения поможет вам избежать шока.

Конечно, лучший вариант — просто избежать такой опасной ситуации, но это также возможность поговорить о важной физике того, почему маленькие шаги лучше. Мы поговорим о трех больших идеях: разнице электрических потенциалов (напряжении), электрическом токе и электрическом поле. Да, все они связаны, и я покажу вам, как это сделать с водой и светодиодом. Это отличная демонстрация физики, но сначала мне нужно рассмотреть самые простые вещи.

Электрический ток

Пожалуй, лучше всего начать с электрического тока. Возможно, это легче всего понять. Все начинается с электрических зарядов. Практически для каждого электрического взаимодействия в реальной жизни есть только два заряда. Эти два заряда — положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. Хотя эти частицы имеют разные массы, они имеют прямо противоположный заряд. Обе частицы имеют заряд 1,6 x 10 ¹⁹ кулонов (единица заряда).Это значение появляется в других ситуациях, поэтому мы называем это фундаментальным зарядом и представляем его как «e» (сокращение от электронного заряда). Допустим, у вас есть длинный цилиндр, сделанный из такого металла, как медь (a w). Каждый атом в этом металле имеет 29 протонов и 29 электронов, так что весь провод имеет нулевой общий заряд. Все эти атомы меди в материале взаимодействуют с соседними атомами таким образом, что позволяет одному электрону легко перемещаться от одного атома меди к другому (мы называем их свободными электронами). Когда материал делает это, мы называем его электрическим проводником.Практически все металлы — проводники.

Хорошая модель — подумать об этой металлической проволоке как о связке положительных зарядов (протонов), которые застряли на месте, вместе с равным количеством отрицательных зарядов (электронов), которые могут двигаться. Но все равно общий провод нейтральный. Теперь представьте, что все эти свободные электроны движутся в одном направлении — это электрический ток. Это поток электрических зарядов.

Иллюстрация: Ретт Аллен

Оценка «заземления» с точки зрения электричества

J Chiropr Med.2014 Dec; 13 (4): 239–246.

, доктор философии, ^{a, ⁎} , доктор философии, ^b , BSEE, ^c , BSEE, ^c и BSEE ^c

Кент Чемберлин

^a Профессор кафедры электротехники и компьютеров Engineering, University of New Hampshire, Durham, NH

Wayne Smith

^b Старший преподаватель, факультет электротехники и вычислительной техники, Университет Нью-Гэмпшира, Дарем, NH

Christopher Chirgwin

^c Студент, факультет Электротехника и компьютерная инженерия, Университет Нью-Гэмпшира, Дарем, NH

Сешанк Аппасани

^c Студент, факультет электротехники и вычислительной техники, Университет Нью-Гэмпшира, Дарем, NH

Пол Риу

^c Студент, Кафедра электротехники и вычислительной техники, Университет Нью-Гэмпшира, Дарем, NH

^a Профессор кафедры электротехники и компьютеров gineering, Университет Нью-Гэмпшира, Дарем, NH

^b Старший преподаватель, Департамент электротехники и вычислительной техники, Университет Нью-Гэмпшира, Дарем, NH

^c Студент, Департамент электротехники и вычислительной техники, Университет Нью-Йорка Хэмпшир, Дарем, NH

^⁎ Автор для корреспонденции: Департамент электротехники и вычислительной техники, Кингсбери Холл, Дарем, NH 03824.Тел .: + 1 603 862 3766; факс: + 1 603 862 1832. [email protected]

Поступила в редакцию 4 марта 2014 г .; Пересмотрено 21 августа 2014 г .; Принято 9 сентября 2014 г.

Реферат

Цель

Целью этого исследования было изучить «заземление» с электрической точки зрения путем измерения и анализа естественного потока электронов между телом человека или элементом управления и землей, поскольку это касается к величине обмена зарядом, взаимосвязи между обменом заряда и функциями организма (дыханием и частотой сердечных сокращений), а также обнаружением другой информации, которая может содержаться в обмене зарядом.

Методы

Чувствительные малошумящие приборы были разработаны и изготовлены для измерения протекания тока низкого уровня на низких частотах. Этот прибор использовался для регистрации электрического тока между людьми или контрольным устройством и землей, и эти измерения были выполнены примерно 40 раз при различных обстоятельствах. Результаты этих измерений были проанализированы, чтобы определить, содержалась ли информация в текущем обмене.

Результаты

Токи, протекающие между телом человека и землей, были небольшими (наноамперы), и они коррелировали с движением объекта.Похоже, что в этом обмене не было никакой информации, кроме информации о движении объекта.

Выводы

Это исследование показало, что токи протекают между окружающей средой (землей) и заземленным телом человека; однако эти токи малы (наноамперы) и не содержат никакой другой информации, кроме информации о движении объекта.

Ключевые термины индексации: Источники биоэлектрической энергии, Электрический импеданс, Биоэлектрический импеданс

Введение

За последнее десятилетие появилось множество публикаций, в которых утверждалось, что пользу для здоровья можно получить, поддерживая электрическую связь между телом человека и землей [ например, ^1–11 ].Это соединение обозначается в непрофессиональной литературе как заземление или заземление . ¹² Согласно утверждениям, в то время как досовременный человек почти всегда контактировал с землей, современный человек обычно изолирован от земли (т. Е. Использует изолированную обувь, спит на изолированных кроватях, работает с ковровым покрытием или другими формами электроизоляции) и , следовательно, это изменение привело к ухудшению здоровья.

Признано, что электрические заряды (единицы кулонов [C]) могут накапливаться на изолированном человеческом теле, увеличивая его потенциал (вольт). ¹³ Накопление заряда пропорционально напряжению на теле, а константа пропорциональности определяется емкостью. Емкость человеческого тела составляет примерно 100 пФ, ¹⁴ , где единицы фарад — кулоны / вольт. Если есть электрический путь к земле, тело разрядится на землю, и его потенциал упадет до нуля. Скорость, с которой протекают заряды, описывается электрическим током в амперах, равных 1 Кл / с.

Несмотря на то, что было опубликовано множество статей, касающихся заземления, информации об электрической природе заземления, по-видимому, мало.Клинические последствия заземления человеческого тела задокументированы; но не дается даже самая основная информация о токах заземления, например, об их величине.

В некоторых источниках предполагается, что некоторые преимущества заземления являются результатом передачи информации через токи заземления. Например, в одном из источников говорится:

«И точно так же, как аккумулятор в автомобиле, который поддерживает работу двигателя и вращения колес, так же происходят ритмические пульсации естественной энергии, протекающей через поверхность Земли и исходящей от нее. поддерживать работу биологических механизмов глобальной жизни в ритме и равновесии.… »

В другой цитате из того же источника говорится, что«… электрические ритмы, сопоставимые с ритмами, измеренными на поверхности Земли », были необходимым фактором в поддержании здоровья.

Хотя большинство ссылок на информацию, содержащуюся в токах заземления, расплывчаты, один конкретный тип информации, нацеленный на это исследование, относится к резонансам Шумана. ¹⁵ резонансы Шумана создаются в резонансной полости, образованной между Землей и ионосферой, возбуждаемой молнией; и они существуют во всем мире на частоте около 8 Гц вместе с гармониками этой частоты.Есть статьи, посвященные влиянию, которое резонансы Шумана могут оказывать на людей, ^16,17 , и есть заявления производителя заземляющего оборудования, что «Листы заземления соединяют нас с резонансом Шумана Земли». ¹⁸ Следовательно, исследование измеренных токов заземления на предмет артефактов резонанса Шумана казалось уместным.

Эти утверждения в непрофессиональной литературе и в рекламе о том, что передача информации является важным механизмом в заземлении, побудили провести анализ токов заземления для информационного содержания.Целью этого исследования было изучить «заземление» с электрической точки зрения посредством измерения и анализа естественного потока электронов между человеческим телом или элементом управления и землей, поскольку это относится к величине обмена зарядом, взаимосвязи между зарядом обмен и функции организма (дыхание и частота сердечных сокращений), а также обнаружение другой информации, которая может содержаться в обмене зарядом.

В соответствии с целью данного исследования проверяемая гипотеза состоит в том, что токи между человеком и землей можно измерить и что эти токи содержат информацию, которая может быть восстановлена, включая физиологические параметры, такие как частота сердечных сокращений и дыхание.

Методы

Эта работа является продолжением предыдущих типов работ, выполненных авторами [например, ^19,20 ] и факультетом электротехники и вычислительной техники Университета Нью-Гэмпшира (UNH). Для проведения измерений, связанных с этим исследованием, электронная схема, описанная ниже, была электрически вставлена ​​между человеком и землей. Эта схема измеряла поток заряда (ток) и обеспечивала интерфейс для компьютера, чтобы поток заряда мог регистрироваться и анализироваться.Принципиальная схема цепи, используемой для сбора данных о расходе заряда, показана на рис. Чтобы не влиять на процесс заряда, входной импеданс этой цепи относительно земли близок к нулю; и схема обеспечивает выходное напряжение, которое линейно пропорционально току, протекающему по цепи. Как видно на принципиальной схеме, в схеме используются прецизионные операционные усилители OP-07 и LM-324; и эти усилители были выбраны в первую очередь потому, что они генерируют очень низкий уровень шума.Для схемы, использованной в этом исследовании, этот шум оказался менее 1 нА (10 ^{— 9} А), что было сочтено приемлемым значением для этого приложения. Следует отметить, что схема была разработана для работы от батарей, чтобы люди не подвергались потенциальным опасностям, связанным с цепями высокого напряжения.

Принципиальная схема цепи для измерения тока.

Распространенной проблемой, связанной с измерением низкочастотных биоэлектрических полей (например, электроэнцефалограммы, электрокардиограммы, механомиограммы), являются помехи от мощности 60 Гц.Эти помехи обычно намного сильнее, чем измеряемые биосигналы, и они могут маскировать эти сигналы и насыщать оборудование, используемое для выполнения измерений. Чтобы минимизировать эти помехи, режекторные фильтры ²¹ обычно используются в инструментальных усилителях, и эти фильтры позволяют всем частотам, кроме частот, близких к 60 Гц, проходить без ослабления. Выходной каскад схемы, показанной на рисунке, включает режекторный фильтр 60 Гц, который был протестирован и показал, что работает правильно.

Измерения указанного здесь типа обычно выполняются с использованием аналогового датчика, подключенного к компьютеру через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП преобразует измеряемое напряжение (аналоговое) в двоичный (цифровой) формат, чтобы его можно было считать, сохранить и проанализировать с помощью компьютера. Для исследования, представленного здесь, аналоговый сигнал, создаваемый схемой, был преобразован в цифровой формат 16-разрядным АЦП National Instruments NI-DAQ 6009. АЦП управлялся персональным компьютером, на котором была запущена программа для сбора данных LabVIEW.

Для всех представленных здесь измерений частота дискретизации была установлена ​​на 500 Гц; и эта частота была выбрана с предположением, что частоты, содержащиеся в обмене током, будут очень низкими, с преобладанием большой постоянной времени ( t = 1 / R [сопротивление] C [емкость]), обусловленной емкостью человека и сопротивление кожи. ²² Другими словами, схема, состоящая из емкости человеческого тела и сопротивления кожи, действует как фильтр нижних частот, который устанавливает верхний предел частот, которые могут проходить через схему.Из-за этого очень маловероятно, что частоты выше нескольких десятков герц будут присутствовать на токах заземления, подключенных к телу.

Поскольку аналоговые данные из схемы дискретизируются с частотой 500 Гц, в схему в дополнение к режекторному фильтру на 60 Гц был разработан фильтр нижних частот 250 Гц. Фильтр нижних частот требуется для удовлетворения критерия дискретизации Найквиста, ²³ , который гласит, что дискретизируемый сигнал не должен содержать частоты выше половины частоты дискретизации, чтобы избежать ошибок из-за наложения спектров.

Калибровочная кривая для измерительной схемы показана на, где очевиден линейный отклик и степень шума, обозначенная шириной кривой. Этот шум меньше наноампера, и ненулевое смещение, видимое на графике, было удалено в процессе анализа.

Входные / выходные характеристики для схемы.

Частотная характеристика схемы была оценена путем изменения частоты входного тока в интересующем частотном диапазоне и записи изменения амплитуды выходного напряжения.Этот тест показал, что режекторный фильтр 60 Гц и фильтр нижних частот 250 Гц работали правильно и что характеристика схемы была линейной во всем частотном диапазоне, за исключением места расположения режекторного фильтра.

Ряд компаний предоставляют изделия, предназначенные для обеспечения электрического пути между человеком и землей. Например, некоторые компании предлагают обувь с неизолированной подошвой, тогда как другие продают токопроводящие прокладки для стола и браслеты для поддержания потенциала тела на земле.Есть также проводящие простыни, чтобы заземлить людей, пока они спят. Электрическое заземление для этих продуктов обычно представляет собой клемму заземления от стандартной настенной розетки, хотя также можно использовать настоящие заземляющие стержни. Для всех представленных здесь измерений в качестве заземления использовалась клемма заземления стандартной настенной розетки.

Приведенные здесь измерения были получены с использованием токопроводящих простыней, полученных от производителя. ²⁴ Эти конкретные листы были сделаны проводящими за счет редкого использования серебряной нити.Для проведения измерений заземляющий провод не был подключен непосредственно к заземлению настенной розетки, как это было бы в случае нормальной работы. Скорее, заземляющий провод был подключен к входу измерительной цепи (обозначенный , подключенный к объекту в). Это было электрически эквивалентно подключению заземляющего провода к заземлению выхода, потому что входное сопротивление цепи по отношению к земле почти равно нулю (т. Е. Вход в измерительную цепь находится под потенциалом земли).

Измерения проводились в электротехнической лаборатории UNH и в комнатах студенческого общежития с участием 3 мужчин в возрасте 22 и 23 лет и весом от 140 до 210 фунтов.Участниками были студенты, и протокол эксперимента был одобрен Экспертным советом ООН. ²⁵ Поскольку учащиеся, выполняющие исследование, выступали в качестве субъектов исследования, не было необходимости в привлечении участников и не требовалось формы согласия.

Изображена измерительная установка в лаборатории, где испытуемый находится в контакте с проводящим листом, который соединен с землей через описанные приборы. Помимо сбора данных о человеке, для всех выполненных измерений также использовался контроль.В первоначальных измерениях этот элемент управления был просто незанятым проводящим листом, хотя в последующих тестах использовался манекен, покрытый фольгой, как показано на рисунке. Предполагалось, что фольга на манекене придаст ему такую ​​же емкость и степень воздействия электромагнитных полей, что и у человека, и, таким образом, будет служить лучшим средством контроля, чем пустой лист. Однако результаты показали незначительную разницу между двумя типами контроля.

Человек на токопроводящем листе, который заземлен через цепь контроля.

Конфигурация для измерений с человеком и манекеном, покрытым фольгой.

Чтобы определить, присутствует ли информация о частоте сердечных сокращений или дыхании в токах заземления, эти физиологические параметры были собраны в подмножестве измерений. Для обоих измерений использовалась стандартная 3-электродная система. Для измерения частоты сердечных сокращений (электрокардиограммы) положительный электрод помещали у основания сердца, отрицательный электрод — у верхушки сердца, а заземляющий электрод — на правой лодыжке.Для измерения дыхания (межреберная электромиограмма) положительный и отрицательный электроды помещали на расстоянии нескольких дюймов друг от друга на правой стороне груди испытуемого; а заземляющий электрод помещали на правую лодыжку.

Отдельные измерения были выполнены для сбора данных, которые будут использоваться для проверки корреляции между частотой сердечных сокращений и токами заземления, а также токами дыхания и заземления. В первом случае измерения проводились для одновременного сбора данных о частоте сердечных сокращений и токе заземления; а во втором случае данные о дыхании и токе заземления собирались одновременно.Таким образом, каждое из этих измерений дало 2 отдельных файла: (1) частота сердечных сокращений или дыхание в зависимости от времени и (2) токи заземления в зависимости от времени. Корреляция между данными, содержащимися в этих файлах, была определена с помощью сценария Matlab.

Статистика и анализ данных

Чтобы определить характеристики текущего обмена между людьми и землей, на данных были выполнены фундаментальный статистический анализ, частотный анализ и корреляционный анализ. Статистический анализ определил среднее и стандартное отклонение наборов данных, а также их функции распределения.Эти функции распределения были определены путем вычисления количества раз, когда точки данных встречались в определенных интервалах, и масштабированные значения этих чисел были нанесены на график относительно значения данных (т. Е. Масштабированное количество появлений по сравнению с текущим).

Чтобы определить, присутствовала ли информация в текущем обмене, измеренные наборы данных во временной области были преобразованы в частотную с помощью 2 различных методов Фурье. В ходе этого анализа искали наличие преобладающих частот, которые могли бы указывать на неслучайность (т. Е. Информацию) в обмене.Частотный анализ данных был выполнен с использованием 2 различных шкал: в одной использовалось стандартное дискретное преобразование Фурье для получения результатов от 0 до 250 Гц, а в другой — с использованием числового преобразования Фурье для создания детального спектра между 0 и 10 Гц. Этот подробный спектр был создан с использованием приведенного ниже алгоритма, и он использовался специально для проверки наличия в данных каких-либо указаний на резонансные частоты Шумана:

Fω = ∫ − ∞∞fte − jωtdt≈∑i = 1NftiejωtiΔt

Это уравнение представляет собой алгоритм, используемый для преобразования N отсчетов временной области в частотную для любой заданной радианной частоты ω .

Значение использования уравнения. (1) заключается в том, что он позволяет непрерывно изменять частоту, тогда как дискретное преобразование Фурье предоставляет информацию только на дискретных частотах.

Можно извлечь полезную информацию из формы сигнала, когда информация скрыта шумом. В таком случае эта информация не будет очевидна с помощью традиционного спектрального анализа. Однако скрытая информация иногда может быть извлечена, если характеристики информации известны априори.В частности, взаимная корреляция зашумленных измеренных данных с набором данных, имеющим известные характеристики, может выявить, существуют ли известные характеристики в зашумленных данных. Для измеренных данных о токе земли использовались методы взаимной корреляции, чтобы определить, присутствует ли информация о частоте сердечных сокращений или дыхании.

Результаты

Данные во временной области (т. Е. Измеренный ток в зависимости от времени), собранные в этом исследовании, ничем не примечательны, поскольку они кажутся шумом с нулевым средним. Легко различимая разница между данными, собранными с участием человека и контрольной группы, состоит в том, что шум на человеке значительно больше и периодически перемежается импульсным шумом.Наблюдения, сделанные во время измерений, показали, что импульсный шум возникал всякий раз, когда объект двигался. Предполагается, что движение вызвало накопление статического заряда, который прошел через заземленную измерительную схему.

показывает функцию распределения тока как для контрольной (слева), так и для человека (справа) для типичного сеанса измерения. Все данные, собранные для этого исследования, имели характеристики, аналогичные тем, которые были замечены в. Как видно на рисунке, функция распределения, построенная для контроля, является ожидаемой для шума с ограниченной полосой, тогда как данные о человеке охватывают более широкий диапазон текущих значений, являются бимодальными и асимметричными.

Распределение относительной вероятности текущего потока для контроля и человека.

Автокорреляция дала те же результаты, которые можно было бы ожидать для шума с ограниченной полосой, быстро затухающего импульса с центром при τ = 0, и как таковая не выявила никакого информационного содержания. Кроме того, как видно из спектра на, ни на одной частоте нет выраженного сигнала. То же самое верно для спектра от 0 до 250 Гц; оба спектра кажутся спектрами шума.

Частотный спектр высокого разрешения перезарядки между человеком и землей.

Поскольку считалось, что текущий поток соответствует движению человека, был проведен окончательный анализ, чтобы определить, можно ли восстановить информацию о сердцебиении или дыхании из данных. Использование заземляющих токов для определения этих физиологических параметров считалось возможным, поскольку есть некоторые артефакты движения, связанные с частотой сердечных сокращений и дыханием. Частотные спектры показывают, что такая информация не является надежной в данных; в противном случае компоненты были бы очевидны около 0.2 Гц (дыхание) и 1 Гц (сердце). Однако даже сигналы, которые могут быть слишком слабыми для отображения в данных частотной области, могут быть достаточно сильными для извлечения с использованием корреляционных методов. Чтобы проверить эту возможность, была вычислена взаимная корреляция между данными зарядового потока и сердцебиением, а также данными зарядового потока и дыхания. Для обоих этих расчетов максимальный рассчитанный коэффициент корреляции был близок к нулю, что указывает на то, что эти физиологические параметры не могут быть извлечены из данных о текущем потоке.

Обсуждение

Как видно на фиг., Функция распределения тока для человека является бимодальной и асимметричной. Объяснение этого распределения заключается в том, что существует ярко выраженный цикл заряда-разряда, связанный с движением объекта, и что вызванная движением зарядка значительно больше, чем фоновый шум. Следовательно, бимодальные пики, вероятно, создаются циклами заряда / разряда, вызванного движением. Предполагается, что асимметрия этих пиков вызвана различиями в способах зарядки и разрядки тела.В частности, тело быстро теряет заряд при движении; и этот заряд переносится на окружающее постельное белье. Чтобы вернуться в электрически нейтральное состояние, такое же количество заряда должно стекать обратно с земли; и этот обратный поток будет медленнее из-за высокого сопротивления постельного белья. В то время как распределение притока / оттока заряда несимметрично, чистый текущий поток для сеансов оказался почти нулевым.

Гипотеза, проверяемая в этом исследовании, постулирует, что токи заземления можно измерить, и это действительно так.Токи небольшие; и они имеют характеристики шума с нулевым средним, перемежающегося импульсным шумом, который возникает при движении объекта измерения. Поскольку импульсный шум на токе земли коррелирует с движением объекта, он действительно содержит информацию, что является еще одним аспектом гипотезы. Однако информация, относящаяся к движению объекта, кажется единственной информацией, которая может быть получена из токов заземления. Таким образом, результаты этого исследования не подтверждают пользу для здоровья от заземления в результате обмена информацией между человеком и землей.

Поскольку движение объекта можно определить по токам заземления, эти токи могут оказаться полезными в качестве датчика движения. Детектор движения может быть построен с использованием схемы, аналогичной схеме, использованной в исследовании, о котором здесь сообщается, и его выходной сигнал будет указывать количество перемещений во времени. Такое измерение имеет отношение к качеству сна, и его было бы гораздо проще реализовать и с меньшими затратами, чем видеосистемы, которые используются для оценки движения во время сна. ^26,27 Фактически, стоимость датчика, вероятно, будет достаточно низкой, чтобы он был доступен как для домашнего, так и для институционального использования.Используя существующую технологию, датчик может быть подключен по беспроводной сети к вычислительным устройствам, таким как смартфон, где могут быть написаны новые приложения для анализа движения для определенных закономерностей. Например, вполне вероятно, что определенные расстройства, связанные со сном, такие как синдром беспокойных ног ²⁸ , могут быть идентифицированы посредством анализа токов заземления.

Ограничения

Возможно, наиболее заметным ограничением этого исследования является то, что измерения проводились только на трех людях.Первоначальная цель исследования заключалась в том, чтобы изучить большее количество участников, хотя впоследствии было сочтено, что увеличение пула участников не требуется из-за сходства измеренных данных для 3 исследованных лиц. В частности, не было заметной разницы в величине или характеристиках токов, собранных на особях разного размера (140 фунтов против 210 фунтов). Чтобы убедиться, что основная величина и природа заземляющих токов не меняются в значительной мере от человека к человеку, за исключением артефактов движения, можно выполнить дополнительные измерения.

Измерения были получены в UNH зимой и ранней весной, когда влажность в зданиях была относительно низкой. Эта более низкая влажность позволила накопить больший заряд, чем это могло бы произойти в среде с высокой влажностью. Взаимосвязь между накоплением заряда и влажностью объясняет, почему удары статическим электричеством более распространены зимой, чем летом, когда сезон повышенной влажности обеспечивает более низкое сопротивление на пути к земле по сравнению с сухим воздухом.Используя это рассуждение, можно было бы ожидать, что токи заземления станут меньше по мере увеличения влажности; и этот аспект заземления в данном исследовании не рассматривался.

Хотя анализ данных не показал наличия информации, такой как резонансы Шумана, это не обязательно означает, что такая информация отсутствует, поскольку она может быть просто ниже, чем уровень окружающего шума / шума приборов. Например, было показано, что резонансы Шумана можно замаскировать в средах с высоким уровнем шума. ²⁹ Следовательно, неспособность данного исследования идентифицировать информацию о токе заземления не исключает возможности его существования.

Выводы

Данные, собранные в этом исследовании, показывают, что заряды проходят между телом человека и землей, если существует путь к земле. Этот зарядный поток невелик, с величиной менее 10 нА после установления пути заземления. Токи соотносятся с движением человека; и никакой другой информации, такой как сердцебиение, дыхание или другие связи между землей и телом, похоже, нет.

Источники финансирования и конфликты интересов

В данном исследовании не сообщалось об источниках финансирования или конфликтах интересов.

Список литературы

1. Ошман Дж. Л. Наше место в природе: воссоединение с землей для лучшего сна. J Altern Complement Med. 2003. 10 (5): 735–736. [PubMed] [Google Scholar] 2. Гали М., Теплиц Д. Биологические эффекты заземления человеческого тела во время сна, измеренные по уровням кортизола и субъективным отчетам о сне, боли и стрессе. J Altern Complement Med.2004. 10 (5): 767–776. [PubMed] [Google Scholar] 4. Applewhite R. Эффективность токопроводящей накладки и токопроводящей подушки в снижении наведенного напряжения человеческого тела за счет заземления. Eur Biol Bio-electromagnetics. 2005; 1: 23–40. [Google Scholar] 5. Ошман Дж. Л. Могут ли электроны действовать как антиоксиданты? Обзор и комментарии. J Altern Complement Med. 2007. 13 (9): 955–967. [PubMed] [Google Scholar] 6. Шевалье Г., Синатра С., Ошман Дж., Сокал К., Сокал П. Заземление: последствия для здоровья повторного подключения человеческого тела к электронам земной поверхности.J Environ Public Health. 2012: 291541. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 7. Браун Д., Шевалье Г., Хилл М. Пилотное исследование влияния заземления на болезненность мышц с отсроченным началом. J Altern Complement Med. 2010. 16 (3): 265–273. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 8. Джеймисон И.А., Джеймисон С.С., АпСаймон Х.М., Белл Дж. Н. Б. Заземление и здоровье человека — обзор. J Phys Conf Ser. 2011; 301: 012024. [Google Scholar] 10. Chevalier G., Sinatra S.T., Oschman J.L., Delany R.M. Заземление человеческого тела снижает вязкость крови — главный фактор сердечно-сосудистых заболеваний.J Altern Complement Med. 2013; 19 (2) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 11. Сокал П., Ястшембски З., Яскульска Э., Сокаль К., Ястшембска М., Радзиминский Л. Различия в концентрациях мочевины и креатинина в крови у заземленных и раскопанных субъектов во время езды на велосипеде и восстановления. Evid Based Complement Alternat Med. 2013; 2013: 382643. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 12. Обер К., Синатра С.Т., Цукер М. Первое издание. Лагуна-Бич, Калифорния: Основные публикации в области здравоохранения; 2010. Заземление: самое важное открытие в области здравоохранения? [Google Scholar] 13.Катрак К.К. Труды симпозиума по электростатическому разряду 1995 г. 1995. Уровни электростатического заряда человеческого тела (ESC): ограничены ли они коронным разрядом или условиями окружающей среды? [Google Scholar] 14. Ассоциация ОУР; Рим, Нью-Йорк: 2010. Основы электростатического разряда, часть пятая — чувствительность устройства и тестирование. [Google Scholar] 15. Рай Дж., Чанд Р., Исраил М., Камакши С. Антенны и распространение, 2009. EuCAP 2009. 3-я Европейская конференция по. 2009. Исследования вариаций частоты шумановского резонанса; стр.1437–1440. [Google Scholar] 16. Чосич И., Цветкович Д., Фанг К., Йованов Э., Лазура Х. Электрофизиологические реакции человека на резонанс Шумана снч и искусственные электромагнитные поля. FME Trans. 2006; 34 (2) [Google Scholar] 17. Мицутакеа Г., Оцука К., Хаякаваб М., Секигучиб М., Корнелиссенк Г., Хальберг Ф. Влияет ли резонанс Шумана на наше кровяное давление? Biomed Pharmacother. 2005; 59 (1): S10 – S14. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 19. Сполдинг К., Чемберлин К. Транспорт чрезвычайно низкочастотных электрических сигналов через меридиан акупунктуры по сравнению с немеридиональной тканью.J Altern Complement Med. 2011. 17 (2): 127–132. [Epub 2011, 24 января] [PubMed] [Google Scholar] 20. Кроче Р., Миллер Дж., Чемберлин К., Филипович Д., Смит В. Вейвлет-анализ спектров мощности и амплитуды квадрицепса при различных уровнях интенсивности и скорости сокращения. Muscle Nerve J. 2014 [PubMed] [Google Scholar] 21. Нагель Дж. Х. Справочник по биомедицинской инженерии. Второе издание. CRC Press LLC; Бока-Ратон: 2000. Усилители биопотенциалов. [Google Scholar] 22. Сазерленд П. Конференция IEEE 2005 г. по промышленным и коммерческим энергосистемам.2005. Чувствительность человека к току и значения сопротивления в присутствии объектов, находящихся под электрическим напряжением »[Google Scholar] 23. Freeman R.L. John Wiley & Sons; 2004. Разработка телекоммуникационных систем; п. 399. [Google Scholar]

24. Заземление. www.earthing.com.

25. Дело № 5290 Совета по институциональной проверке Университета Нью-Гэмпшира, одобрено 5 января 2012 года.

26. Liao W.-H. 19-я Международная конференция по распознаванию образов. 2008. Анализ активности и движений на основе видео в исследованиях ночного сна.[ICPR 2008] [Google Scholar]

27. Heinrich, A .; Philips Res. Labs., Эйндховен, Нидерланды; Обер, X .; де Хаан, Г. Анализ движений тела во время сна на основе оценки движения видео. Документ представлен на: 15-й Международной конференции IEEE 2013 г. по сетям, приложениям и услугам электронного здравоохранения; 9-12 октября 2013 г .; Лиссабон, Португалия.

28. Хирата К., Сузуки К., Миямото Т., Иноуэ Ю. Синдром беспокойных ног (СБН). Документ представлен на: Материалы Международной конференции по комплексной медицинской инженерии 2011 IEEE / ICME, 22-25 мая 2011 г., Харбин, Китай.

29. Цао Б.-Х., Цяо X.-Л., Чжоу Х.-Дж. Наблюдения за шумановским резонансом в промышленных зонах. Electron Lett. 2010; 46 (11) [Google Scholar]

1. Электроны в движении — Практическая электроника: компоненты и методы [Книга]

Электроэнергия течет, когда замкнутая цепь позволяет электронам перемещаться из высокий потенциал к более низкому потенциалу в замкнутом контуре. Другими словами, для протекания тока требуется источник электронов, обладающий силой для их перемещения, а также точка возврата электронов.

Поток электрического тока (физическое явление) характеризуется четырьмя основные величины: напряжение, ток, сопротивление и мощность. Мы будем использовать простая схема, показанная на рис. 1-4 в качестве основы для после обсуждения. Обратите внимание, что схема показана как на картинке, так и на схематическая форма. Подробнее о схематических обозначениях см. Приложение B.

Рисунок 1-4. Простая цепь постоянного тока

Здесь уместно сказать несколько слов о термине текущий . В слове больше, чем одно значение в электронике, которое поначалу может сбивать с толку.В одном смысле, ток относится к потоку электронов через какой-либо проводник. Это это ссылка на движение заряда, переносимого электронами. В другом В смысле, ток относится к количеству электронов, движущихся по проводнику. В этом смысле он определяет объем электронов, проходящих мимо некоторой точки. в цепи в какой-то момент времени. Другими словами, измерение тока это определение количества движущихся электронов.

Один из способов подумать о токе — это помнить, что его нельзя измерить без движения, поэтому, когда вы видите или слышите слово ток , это обычно имея в виду движение.Чтобы прояснить различие, термин текущий поток часто используется для обозначения движения электрических зарядов. Статические заряды, даже если на клеммах общей батареи, не протекает ток и, следовательно, не поддается измерению Текущий.

Ток, который течет только в одном направлении, как на рисунке 1-4, называется постоянного тока (DC). Обычная батарея производит постоянный ток, как и источник постоянного тока. в типичной компьютерной системе. Ток, который постоянно меняет направление, называется переменного тока (АС).AC — это то, что выходит из бытовой розетки (в США, например). Это также тип тока, который управляет громкоговорителями. в стереосистеме. Скорость, с которой ток меняет направление, называется частота и измеряется в циклах в секунду в Герцах (сокращенно Гц). Итак, сигнал 60 Гц состоит из тока, меняющего направление 60 раз за второй. Когда переменный ток используется для управления громкоговорителем, сигнал с частота 440 Гц будет выше среднего C для наших ушей.

По соглашению, постоянный ток протекает от плюса к земле. (отрицательный), тогда как на самом деле электроны текут от отрицательного вывода к положительный вывод источника питания. На рисунке 1-4 стрелки показывают электронный поток. По сути, расхождение возникает из-за ошибочного предположения, сделанного Бенджамин Франклин, который думал, что электроны имеют положительный заряд и текут от положительных к отрицательным клеммам. Он угадал неправильно, но в итоге мы получили условность, которая уже была прочно укоренилась к тому времени, когда физики выяснили что на самом деле происходило.Следовательно, у нас есть обычный ток и электрон текущий поток. Хотя вы должны знать об этом несоответствии, с этого момента и далее мы будем использовать обычный ток, поскольку именно он электронная промышленность использует.

А вольт (В) — единица измерения, используемая для разности электрических потенциалов, электрического потенциал и электродвижущая сила. Когда используется термин напряжение , он обычно относится к к разности электрических потенциалов между двумя точками.Другими словами, мы говорим, что статический заряд имеет значение некоторого количества вольт (потенциала), но есть определенное количество напряжения между двумя точками в цепи (разность потенциалов).

Напряжение можно представить как тип давления или движущей силы (хотя это не фактически сила в механическом смысле). Это электродвижущая сила (ЭДС), создаваемая от батареи или генератора какого-либо типа, а ЭДС может управлять током через цепь. И хотя он может не выглядеть как генератор, блок питания (вроде того, который подключает в розетку для зарядки мобильного телефона) на самом деле не более чем преобразователь для выход генератора где-нибудь на электростанции.

Другой способ думать о напряжении — это разность электрических потенциалов между двумя точками. в электрическом поле. Это похоже на разницу в потенциальной энергии пушечного ядра наверху лестницы, в отличие от ядра на вершине высокой башни. Оба ядра существуют в гравитационном поле Земли, оба обладают потенциальной энергией, и потребовалось некоторое поработайте, чтобы поставить их обоих в нужное положение. Когда они выпускаются, пушечное ядро ​​наверху при ударе о землю у башни будет больше энергии, чем у пушечного ядра, сброшенного с верхняя часть лестницы, потому что она имела большую потенциальную энергию из-за своего положения.

Эти два описания напряжения на самом деле являются противоположными сторонами одной медали. В Чтобы создать разность потенциалов между двумя точками, необходимо провести работу. Когда эта энергия утеряна или использована, возможно падение. Когда пушечное ядро ​​падает на землю, все энергия, вложенная в его установку против силы тяжести, используется для создания красивая вмятина в земле.

Здесь важно помнить, что высокое напряжение дает больше доступной электрической энергии. (давление), чем низкое напряжение.Вот почему вы не получаете ничего, кроме едва заметного искра при коротком замыкании обычной 9-вольтовой батареи куском провода, но молния, при около 10 000 000 вольт (или больше!), способна полностью пройти дугу между облаком и земля в яркой вспышке. Молния имеет большее напряжение и, следовательно, больший потенциал. разница, поэтому он способен преодолевать изолирующие эффекты промежуточного воздуха.

В то время как напряжение можно рассматривать как электрическое давление, ток является мерой величины, или объем электронов, движущихся по цепи в некоторой заданной точке.Помните, что термин ток может иметь два разных значения: движение электронов (поток) и объем электронного потока. В электронике слово ток обычно означает количество электронов, проходящих через проводник в определенной точке в один момент времени во время. В данном случае это относится к физической величине и измеряется в единицах амперы (сокращенно A).

Теперь, когда мы рассмотрели напряжение и ток, мы можем изучить некоторые вещи. это происходит во время движения заряда (протекания тока) при определенном напряжении.Каким бы хорошим ни был обычный проводник, он никогда не пройдет электроны без сопротивления току (сверхпроводники получают вокруг этого, но мы не будем здесь касаться этой темы). Сопротивление есть мера того, насколько ток препятствует прохождению тока в цепи, и это измеряется в омах, назван в честь немецкого физика Георга Симона Ома. «Сопротивление» содержит более подробную информацию о физических свойствах сопротивления, а пока давайте рассмотрим, как сопротивление взаимодействует с текущим потоком.

Сопротивление можно рассматривать как аналог механического трения (но аналогия не идеально). Когда ток проходит через сопротивление, часть напряжения разность потенциалов преобразуется в тепло, и будет падение напряжения на резистор. Количество выделяемого тепла зависит от протекающего тока. через сопротивление и величину падения напряжения. Мы посмотрим на это более внимательно в силе».

Вы также можете думать о сопротивлении как о степени «липкости», которую валентность атома Оболочечные электроны проявятся.Атомы, которые могут легко отдавать или принимать электроны, будут иметь низкое сопротивление, тогда как те, кто хочет удерживать свои электроны, будут демонстрировать более высокое сопротивление. сопротивление (и, конечно, те, которые не отдают электроны при нормальном условия хорошие изоляторы).

Углерод, например, проводит электричество, но не так легко, как медь. Углерод это популярный материал для изготовления компонентов, называемых резисторами, используемых в электронные схемы. В главе 8 рассматриваются пассивные компоненты, такие как резисторы.

Сохранение заряда — Колледж физики

Цели обучения

• Определите электрический заряд и опишите, как взаимодействуют два типа заряда.
• Опишите три типичных ситуации, в которых генерируется статическое электричество.
• Укажите закон сохранения заряда.

Янтарь Борнео был добыт в Сабахе, Малайзия, из жил сланцевого песчаника и аргиллита. Когда кусок янтаря натирают куском шелка, янтарь получает больше электронов, что придает ему отрицательный заряд.При этом шелк, потеряв электроны, становится положительно заряженным. (Источник: Sebakoamber, Wikimedia Commons)

Что делает пластиковую пленку липкой? Статическое электричество. Мало того, что статическое электричество стало обычным явлением в наши дни, его существование было известно с древних времен. Первое упоминание о его воздействии датируется древними греками, которые отметили, что более 500 лет до нашей эры. Эта полировка янтаря временно позволила ему притягивать кусочки соломы (см. (рисунок)). Само слово электрический происходит от греческого слова янтарь ( электрон ).

Многие характеристики статического электричества можно изучить, потерев предметы друг о друга. При трении возникает искра, возникающая, например, при прогулке по шерстяному ковру. Статическое прилипание, возникающее в сушилке для одежды, и притяжение соломы к недавно отполированному янтарю также являются результатом трения. Точно так же молния возникает в результате движения воздуха при определенных погодных условиях. Вы также можете натереть воздушный шарик о волосы, и возникшее статическое электричество может заставить шарик цепляться за стену.Мы также должны быть осторожны со статическим электричеством, особенно в сухом климате. Когда мы перекачиваем бензин, нас предупреждают, что нужно разрядиться (после скольжения по сиденью) на металлическую поверхность, прежде чем взяться за газовое сопло. В больничных операционных должны быть надеты пинетки с алюминиевой фольгой на дне, чтобы избежать искр, которые могут воспламенить используемый кислород.

Некоторые из основных характеристик статического электричества включают:

• Эффекты статического электричества объясняются не ранее введенной физической величиной, называемой электрическим зарядом.
• Есть только два типа заряда: один называется положительным, а другой — отрицательным.
• Подобные заряды отталкивают, а непохожие заряды притягивают.
• Сила между зарядами уменьшается с расстоянием.

Откуда мы знаем, что существует два типа электрического заряда? Когда различные материалы трутся друг о друга контролируемым образом, определенные комбинации материалов всегда создают один тип заряда на одном материале и противоположный — на другом. По соглашению мы называем один тип заряда «положительным», а другой — «отрицательным».Например, когда стекло натирают шелком, оно заряжается положительно, а шелк — отрицательно. Поскольку стекло и шелк имеют противоположные заряды, они притягиваются друг к другу, как одежда, натертая в сушилке. Два стеклянных стержня, натертых таким образом на шелке, будут отталкивать друг друга, поскольку каждый стержень имеет положительный заряд. Точно так же две натертые таким образом шелковые ткани будут отталкивать, поскольку обе ткани имеют отрицательный заряд. (Рисунок) показывает, как эти простые материалы могут быть использованы для изучения природы силы между зарядами.

Стеклянный стержень заряжается положительно при натирании шелка, а шелк — отрицательно. (а) Стеклянный стержень притягивается к шелку, потому что их заряды противоположны. (b) Два одинаково заряженных стеклянных стержня отталкиваются. (c) Две одинаково заряженные шелковые ткани отталкиваются.

Возникают более сложные вопросы. Откуда берутся эти обвинения? Можете ли вы создать или уничтожить заряд? Есть самая маленькая единица заряда? Как именно сила зависит от количества заряда и расстояния между зарядами? Такие вопросы, очевидно, приходили в голову Бенджамину Франклину и другим ранним исследователям, и они интересуют нас даже сегодня.

Заряд, переносимый электронами и протонами

Франклин писал в своих письмах и книгах, что он мог видеть эффекты электрического заряда, но не понимал, что вызвало это явление. Сегодня у нас есть преимущество в том, что мы знаем, что нормальная материя состоит из атомов и что атомы содержат положительные и отрицательные заряды, обычно в равных количествах.

(рисунок) показывает простую модель атома с отрицательными электронами, вращающимися вокруг его положительного ядра. Ядро положительно из-за наличия положительно заряженных протонов.Почти весь заряд в природе обусловлен электронами и протонами, которые являются двумя из трех строительных блоков большей части материи. (Третий нейтрон — нейтрон, не несущий заряда.) Другие несущие заряд частицы наблюдаются в космических лучах и ядерном распаде и создаются в ускорителях частиц. Все, кроме электрона и протона, выживают лишь короткое время и по сравнению с ними встречаются довольно редко.

Этот упрощенный (не в масштабе) вид атома называется планетарной моделью атома.Отрицательные электроны вращаются вокруг гораздо более тяжелого положительного ядра, как планеты вращаются вокруг более тяжелого Солнца. На этом сходство заканчивается, потому что силы в атоме электромагнитные, а силы в планетной системе — гравитационные. Нормальные макроскопические количества вещества содержат огромное количество атомов и молекул и, следовательно, еще большее количество отдельных отрицательных и положительных зарядов.

Заряды электронов и протонов одинаковы по величине, но противоположны по знаку.Кроме того, все заряженные объекты в природе являются целыми кратными этой базовой величине заряда, что означает, что все заряды состоят из комбинаций базовой единицы заряда. Обычно заряды образуются комбинациями электронов и протонов. Величина этого базового заряда составляет

ед.

Этот символ обычно используется для обозначения заряда, а нижний индекс указывает заряд отдельного электрона (или протона).

Единица заряда в системе СИ — кулон (Кл). Количество протонов, необходимое для заряда 1.00 C —

Точно так же электроны имеют общий заряд -1,00 кулонов. Так же, как есть мельчайший бит элемента (атома), есть мельчайший бит заряда. Не существует непосредственно наблюдаемого заряда меньше чем (см. «Вещи большие и малые: субмикроскопическое происхождение заряда»), и все наблюдаемые заряды являются целыми кратными.

Большие и маленькие вещи: субмикроскопическое происхождение заряда

За исключением экзотических короткоживущих частиц, весь заряд в природе переносится электронами и протонами.Электроны несут заряд, который мы назвали отрицательным. Протоны несут заряд равной величины, который мы называем положительным. (См. (Рисунок).) Заряды электронов и протонов считаются фундаментальными строительными блоками, поскольку все остальные заряды являются целыми кратными зарядам, переносимым электронами и протонами. Электроны и протоны также являются двумя из трех основных строительных блоков обычной материи. Нейтрон является третьим и имеет нулевой общий заряд.

(рисунок) показывает человека, касающегося генератора Ван де Граафа и получающего избыточный положительный заряд.Увеличенный вид волос показывает наличие обоих типов зарядов, но избыток положительного. Отталкивание этих положительных одинаковых зарядов заставляет пряди волос отталкивать другие пряди волос и подниматься вверх. Дальнейший взрыв демонстрирует концепцию художника об электроне и протоне, которые, возможно, находятся в атоме в прядке волос.

Когда этот человек касается генератора Ван де Граафа, он получает избыток положительного заряда, в результате чего его волосы встают дыбом. Показаны заряды в одном волосе.Художественная концепция электрона и протона иллюстрирует частицы, несущие отрицательный и положительный заряды. Мы не можем видеть эти частицы в видимом свете, потому что они такие маленькие (электрон кажется бесконечно малой точкой), но мы много знаем об их измеримых свойствах, таких как заряды, которые они несут.

Электрон, кажется, не имеет субструктуры; Напротив, когда субструктура протонов исследуется путем рассеяния на них чрезвычайно энергичных электронов, оказывается, что внутри протона есть точечные частицы.Эти субчастицы, называемые кварками, никогда напрямую не наблюдались, но считается, что они несут дробные заряды, как показано на (Рисунок). Заряды электронов, протонов и всех других непосредственно наблюдаемых частиц унитарны, но эти кварковые субструктуры несут заряды либо или. Продолжаются попытки непосредственно наблюдать дробный заряд и изучать свойства кварков, которые, возможно, являются основной субструктурой материи.

Представление художника о дробных зарядах кварка внутри протона.Группа из трех зарядов кварка складывается в один положительный заряд протона:.

Разделение заряда в атомах

Заряды в атомах и молекулах можно разделить, например, трением материалов друг о друга. Некоторые атомы и молекулы имеют большее сродство к электронам, чем другие, и становятся отрицательно заряженными при тесном контакте при трении, оставляя другой материал заряженным положительно. (См. (Рисунок).) Положительный заряд аналогичным образом может быть вызван трением. Другие методы, кроме растираний, также могут разделять заряды.В батареях, например, используются комбинации веществ, которые взаимодействуют таким образом, чтобы разделять заряды. При химическом взаимодействии отрицательный заряд может передаваться от одного вещества к другому, в результате чего одна клемма аккумулятора становится отрицательной, а первая остается положительной.

Когда материалы трутся друг о друга, заряды могут быть разделены, особенно если один материал имеет большее сродство к электронам, чем другой. (а) И янтарь, и ткань изначально нейтральны, с одинаковыми положительными и отрицательными зарядами.Речь идет лишь о крошечной части зарядов, и здесь показаны лишь некоторые из них. (б) При трении друг о друга некоторый отрицательный заряд переносится на янтарь, оставляя ткань с чистым положительным зарядом. (c) После разделения янтарь и ткань теперь имеют чистые заряды, но абсолютные значения чистых положительных и отрицательных зарядов будут равны.

Никаких зарядов фактически не создается или не уничтожается, когда заряды разделяются, как мы обсуждали. Скорее, существующие обвинения перемещаются.Фактически, во всех ситуациях общая сумма заряда всегда постоянна. Этот повсеместно подчиняющийся закон природы называется законом сохранения заряда.

Закон сохранения заряда

Общий заряд постоянен в любом процессе.

В более экзотических ситуациях, например, в ускорителях частиц, масса, может быть создана из энергии в определенном количестве. Иногда созданная масса заряжена, например, когда создается электрон. Всякий раз, когда создается заряженная частица, вместе с ней всегда создается другая, имеющая противоположный заряд, так что общий создаваемый заряд равен нулю.Обычно эти две частицы являются аналогами «материя-антивещество». Например, антиэлектрон обычно создается одновременно с электроном. Антиэлектрон имеет положительный заряд (он называется позитроном), поэтому общий создаваемый заряд равен нулю. (См. (Рисунок).) Все частицы имеют аналоги из антивещества с противоположными знаками. Когда материя и антивещество сводятся вместе, они полностью уничтожают друг друга. Под аннигилированием мы подразумеваем, что масса двух частиц преобразуется в энергию E , снова подчиняясь соотношению.Поскольку две частицы имеют равный и противоположный заряд, общий заряд равен нулю до и после аннигиляции; таким образом, общий заряд сохраняется.

Установление связей: законы сохранения

Универсально сохраняется только ограниченное количество физических величин. Заряд — это одно, а энергия, импульс и угловой момент — другие. Поскольку они сохраняются, эти физические величины используются для объяснения большего числа явлений и образуют больше связей, чем другие, менее базовые величины.Мы обнаруживаем, что сохраненные количества дают нам глубокое понимание правил, которым следует природа, и намекают на ее организацию. Открытие законов сохранения привело к новым открытиям, таким как слабое ядерное взаимодействие и кварковая субструктура протонов и других частиц.

(а) Когда присутствует достаточно энергии, она может быть преобразована в материю. Здесь создается материя — электрон-антиэлектронная пара. (- масса электрона.) Полный заряд до и после этого события равен нулю.б) при столкновении вещества и антивещества они уничтожают друг друга; полный заряд сохраняется на нуле до и после аннигиляции.

Закон сохранения заряда абсолютен — его нарушение никогда не наблюдалось. Таким образом, заряд — это особая физическая величина, которая присоединяется к очень короткому списку других величин в природе, которые всегда сохраняются. Другие сохраняемые величины включают энергию, импульс и угловой момент.

Исследования PhET: воздушные шары и статическое электричество

Почему к свитеру прилипает воздушный шарик? Потрите воздушный шарик о свитер, затем отпустите шарик, и он полетит и прилипнет к свитеру.Посмотрите на заряды в свитере, воздушных шарах и стене.

Сводка раздела

• Есть только два типа заряда, которые мы называем положительным и отрицательным.
• Подобные заряды отталкиваются, в отличие от зарядов притягиваются, и сила между зарядами уменьшается пропорционально квадрату расстояния.
• Подавляющее большинство положительного заряда в природе переносится протонами, тогда как подавляющее большинство отрицательного заряда переносится электронами.
• Электрический заряд одного электрона равен по величине и противоположен по знаку заряду одного протона.
• Ион — это атом или молекула, которые имеют ненулевой общий заряд из-за неравного количества электронов и протонов.
• В системе СИ для заряда используется кулон (Кл), где протоны и электроны имеют заряды противоположных знаков, но равной величины; величина этого основного заряда
• Всякий раз, когда создается или разрушается заряд, задействовано равное количество положительного и отрицательного.
• Чаще всего существующие заряды отделяются от нейтральных объектов для получения некоторого чистого заряда.
• В нейтральных объектах существуют как положительные, так и отрицательные заряды, и их можно разделить, потерев один объект о другой. Для макроскопических объектов отрицательно заряженный означает избыток электронов, а положительно заряженный — их обеднение.
• Закон сохранения заряда гарантирует, что всякий раз, когда создается заряд, одновременно создается равный заряд противоположного знака.

Концептуальные вопросы

В большинстве объектов очень большое количество заряженных частиц.Почему же тогда большинство объектов не обладают статическим электричеством?

Почему большинство объектов обычно содержат примерно равное количество положительных и отрицательных зарядов?

Глоссарий

электрический заряд

физическое свойство объекта, которое заставляет его притягиваться или отталкиваться от другого заряженного объекта; каждый заряженный объект генерирует силу, называемую электромагнитной силой

, и испытывает на нее влияние.

закон сохранения заряда

утверждает, что всякий раз, когда создается заряд, одновременно создается равное количество заряда с противоположным знаком

электрон

частица, вращающаяся вокруг ядра атома и несущая наименьшую единицу отрицательного заряда

протон

частица в ядре атома, несущая положительный заряд, равный по величине и противоположный по знаку величине отрицательного заряда, переносимого электроном

.