Как на самом деле передаётся электрическая энергия?
Когда мы включаем свет, мы редко задумываемся о том, как именно электрическая энергия достигает лампочки. Многие считают, что электроны движутся по проводам от источника к нагрузке, передавая энергию. Однако этот взгляд ошибочен. В данной статье мы разберёмся, как на самом деле передаётся электрическая энергия, почему электроны практически не перемещаются и как работает трансформатор, не имеющий физического контакта между обмотками.
Рассмотрим воображаемую электрическую цепь, состоящую из батареи, выключателя, лампочки и двух проводов длиной 300 000 км каждый. Эти провода тянутся на половину расстояния до Луны и обратно. После замыкания выключателя, как быстро загорится лампочка?
Ответ может удивить: лампочка загорится за 1 секунду (теоретически, поскольку по факту такой опыт провести очень сложно из-за длины проводов). Дело в том, что электрическое поле распространяется вокруг проводов со скоростью света (300 тыс. км/с), а передача энергии происходит через электромагнитные поля, окружающие проводники.
Часто можно услышать, что электроны двигаются по проводам, «принося» энергию. Однако в реальности их движение очень медленное – порядка долей миллиметра в секунду. Это явление называется дрейфовой скоростью электронов. Если бы энергия передавалась самими электронами, нам бы пришлось ждать несколько часов или даже дней, пока она достигнет нагрузки. На самом деле энергия передаётся электромагнитными волнами, распространяющимися вокруг проводов.
В 1883 году Джон Генри Пойнтинг вывел закон, согласно которому энергия в цепи передаётся не внутри проводов, а в окружающем пространстве через вектор Пойнтинга. Вектор Пойнтинга направлен перпендикулярно электрическому и магнитному полям и показывает направление потока энергии. Именно эти поля окружают провода и передают энергию от источника к нагрузке.
Электромагнитные поля являются ключом не только к передаче энергии в проводах, но и к работе трансформатора. Рассмотрим силовой трансформатор 10/0,4 кВ, используемый для передачи электроэнергии на подстанциях.
Трансформатор состоит из двух катушек: первичной и вторичной обмоток, намотанных на общий магнитный сердечник. Переменный ток в первичной обмотке создаёт переменное магнитное поле, которое индуцирует ЭДС (электродвижущую силу) во вторичной обмотке, передавая энергию без физического контакта между проводами (между ними воздушный зазор). Это подтверждает, что энергия передаётся не током в проводниках, а полем вокруг них.
Точно также передаёт энергию электрический двигатель. Между статором, в котором находится первичная обмотка и ротором есть минимальный зазор. Воздушный зазор между статором и ротором делается как можно меньше (0,3-0,35 мм в машинах малой мощности и 1-1,5 мм в машинах большой мощности)
Передача электроэнергии происходит не через движение электронов в проводах, а через электромагнитные поля, окружающие проводники. Этот принцип позволяет объяснить работу как простых электрических цепей, так и сложных устройств, таких как трансформаторы. Теперь, включая свет, можно осознавать, что его питание обеспечивается не движением электронов, а невидимыми электромагнитными волнами, передающими энергию вокруг проводов.
Рассмотрим воображаемую электрическую цепь, состоящую из батареи, выключателя, лампочки и двух проводов длиной 300 000 км каждый. Эти провода тянутся на половину расстояния до Луны и обратно. После замыкания выключателя, как быстро загорится лампочка?
Ответ может удивить: лампочка загорится за 1 секунду (теоретически, поскольку по факту такой опыт провести очень сложно из-за длины проводов). Дело в том, что электрическое поле распространяется вокруг проводов со скоростью света (300 тыс. км/с), а передача энергии происходит через электромагнитные поля, окружающие проводники.
Часто можно услышать, что электроны двигаются по проводам, «принося» энергию. Однако в реальности их движение очень медленное – порядка долей миллиметра в секунду. Это явление называется дрейфовой скоростью электронов. Если бы энергия передавалась самими электронами, нам бы пришлось ждать несколько часов или даже дней, пока она достигнет нагрузки. На самом деле энергия передаётся электромагнитными волнами, распространяющимися вокруг проводов.
В 1883 году Джон Генри Пойнтинг вывел закон, согласно которому энергия в цепи передаётся не внутри проводов, а в окружающем пространстве через вектор Пойнтинга. Вектор Пойнтинга направлен перпендикулярно электрическому и магнитному полям и показывает направление потока энергии. Именно эти поля окружают провода и передают энергию от источника к нагрузке.
Электромагнитные поля являются ключом не только к передаче энергии в проводах, но и к работе трансформатора. Рассмотрим силовой трансформатор 10/0,4 кВ, используемый для передачи электроэнергии на подстанциях.
Трансформатор состоит из двух катушек: первичной и вторичной обмоток, намотанных на общий магнитный сердечник. Переменный ток в первичной обмотке создаёт переменное магнитное поле, которое индуцирует ЭДС (электродвижущую силу) во вторичной обмотке, передавая энергию без физического контакта между проводами (между ними воздушный зазор). Это подтверждает, что энергия передаётся не током в проводниках, а полем вокруг них.
Точно также передаёт энергию электрический двигатель. Между статором, в котором находится первичная обмотка и ротором есть минимальный зазор. Воздушный зазор между статором и ротором делается как можно меньше (0,3-0,35 мм в машинах малой мощности и 1-1,5 мм в машинах большой мощности)
Передача электроэнергии происходит не через движение электронов в проводах, а через электромагнитные поля, окружающие проводники. Этот принцип позволяет объяснить работу как простых электрических цепей, так и сложных устройств, таких как трансформаторы. Теперь, включая свет, можно осознавать, что его питание обеспечивается не движением электронов, а невидимыми электромагнитными волнами, передающими энергию вокруг проводов.
