Простые устройства
Просто об устройствах

  • Родительская категория: Статьи
  • Категория: Электроника
  • Просмотров: 271

Основы электропитания. Почему в розетке высокое напряжение

В предыдущей части цикла было показано, что электричество необходимо человеку в качестве промежуточного звена для передачи энергии в нужную точку пространства с последующим преобразованием ее в тот вид энергии, который ему действительно необходим. Благодаря освоению электричества, в наших домах появился удобный, доступный и условно неисчерпаемый источник энергии, без которого нашу жизнь уже сложно представить.

Однако вместе с появлением электропроводки в наши дома пришла новая опасность – опасность поражения электрическим током. Каждый из нас с детства знает, что «пальцы в розетку совать нельзя». И хоть это физически невозможно – диаметр отверстий в розетке намного меньше толщины даже самого тонкого человеческого пальца, – все понимают, что с любым электрическим оборудованием нужно обращаться осторожно, а разбирать и ремонтировать электроприборы неподготовленному человеку категорически запрещено.

Причиной этого является высокое напряжение. На сегодняшний день, номинальное напряжение в наших розетках равно опасному для жизни человека значению – 230 B. Более того, один из проводов розетки («ноль») электрически соединен с землей, поэтому если стоящий на земле человек случайно коснется второго провода («фазы»), то цепь замкнется и по телу человека через землю пойдет ток.

Но почему выбрано столь высокое напряжение? Разве сложно было придумать электропроводку с напряжением, например, 12 В – как в легковых автомобилях? Тогда количество бед от электрического тока было бы намного меньше. К сожалению, это не получится, и в этой части цикла будет рассмотрено, почему.

Электрические процессы в системах электропитания

Простейшая система электропитания состоит из источника и потребителя электрической энергии (Рисунок 1). Потребитель электрической энергии (нагрузка) является самым важным элементом системы. Именно это оборудование выполняет нужную и полезную работу, например, электрическая дрель позволяет сверлить отверстия, чайник – греть воду, лампочка – осветить помещение, а компьютер или смартфон – обработать информацию. Без полезной нагрузки система электропитания бессмысленна, ведь она существует только потому, что существуют потребители электрической энергии.

Простейшая система электропитания.
Рисунок 1. Простейшая система электропитания.

Чтобы потребитель мог работать, ему необходим источник электрической энергии, или, как его часто называют, источник питания. Различают два вида источников: первичные и вторичные (Рисунок 2). Первичные источники преобразуют энергию других видов в электричество, а вторичные преобразуют только параметры электрической энергии. Например, батарейка (гальванический элемент) является первичным источником, поскольку в ней протекает химическая реакция, в результате которой вырабатывается электричество. А вот сетевая зарядка для смартфона уже относится к вторичным источникам (выпрямительное устройство), поскольку она лишь преобразует параметры уже где-то сгенерированного (первичным источником) электричества – в данном случае, переменное напряжение 230 B она преобразует в постоянное, величиной, обычно, 5 В.

Классификация источников электрической энергии.
Рисунок 2. Классификация источников электрической энергии.

Если источник питания не соединен с нагрузкой, то между его выводами будет присутствовать некоторое напряжение V – главный параметр любого источника питания. Это очень важный момент, который нужно понять – за величину напряжения в цепи питания отвечает источник. Чтобы запомнить это, достаточно представить розетку, к которой ничего не подключено – напряжение в ней есть (230 В), а тока нет.

Если соединить источник питания с нагрузкой, например, с помощью двух проводов, то электрическая цепь замкнется, в ней начнет протекать электрический ток I, величина которого будет зависеть от оборудования. Это второй важный момент, который нужно понять – за величину тока в цепи питания отвечает потребитель (не зря его называют нагрузкой).

И снова представим розетку, а точнее, блок из двух розеток (Рисунок 3). Если к ним ничего не подключено, то ток в проводах равен нулю. Если подключить настольную лампу, то ток в этом участке сети станет равен какому-нибудь значению, например, 1 А, а если подключить вместо лампы электрический чайник, то ток изменится и уже будет другим, например, 10 А. А если подключить одновременно и чайник и лампу, то ток теперь будет равен сумме токов, потребляемых каждым из потребителей, в данном случае – 10 + 1 = 11 А. То есть, ток в цепи питания определяется нагрузкой – оборудованием, которое выполняет полезную работу.

Напряжение и ток в системе электропитания при разных нагрузках.
Рисунок 3. Напряжение и ток в системе электропитания при разных нагрузках.

Даже если никаких физических коммутаций в цепи питания не происходит, ток, потребляемый нагрузкой, постоянно изменяется. Это связано с тем, что количество работы, выполняемой оборудованием, в каждый момент времени разное. Например, лазерный принтер в режиме ожидания потребляет ток, практически равный нулю, ведь в этом состоянии он просто периодически проверяет порт и светит «зеленым глазом» – энергии для этого нужно немного. Но если потребуется распечатать документ, то принтеру придется забрать лист бумаги с лотка, протащить его через весь механизм, создать с помощью лазера на светочувствительном барабане электростатический образ печатаемого документа, перенести тонер с барабана на лист, и только после этого вплавить тонер в бумагу. Все эти процессы требуют энергии, поэтому в процессе печати энергопотребление лазерного принтера может увеличиться до 1 кВт.

Произведение напряжения и тока в цепи питания дадут мощность P – скорость, с какой энергия будет переходить от источника к нагрузке:

  (1)

В идеальном случае напряжение V не должно зависеть от тока нагрузки I. Следовательно, мощность P, потребляемая от источника питания, должна быть прямо пропорциональна току I. Однако если постоянно увеличивать ток, то рано или поздно наступит момент, когда нагрузка «потребует» от источника питания энергии больше, чем он может обеспечить. Поскольку напряжение в формуле (1), теоретически, должно быть неизменным (V = const), то произойдет это, когда ток нагрузки станет больше некоторого максимально допустимого значения IMAX. Максимальный ток нагрузки или максимальная мощность также входят в число самых важных параметров любого источника питания – эти параметры показывают, какое количество энергии можно получить от этого источника за единицу времени.

Выходные характеристики зарядного устройства, указанные на его корпусе.
Рисунок 4. Выходные характеристики зарядного устройства,
указанные на его корпусе.

Выходное напряжение и максимальный выходной ток (максимальная выходная мощность) являются настолько важными для любого блока питания, что их указывают на корпусе прибора. Например, зарядное устройство для смартфона (Рисунок 4) имеет выходное напряжение V = 5 В, и максимальный выходной ток IMAX = 2 А. Это значит, что его максимальная мощность PMAX, согласно формуле (1), равна:

Производители источников питания обычно указывают только два параметра. Одним из параметров всегда является выходное напряжение V, а вот вторым может быть или максимальный выходной ток IMAX, или максимальная выходная мощность PMAX. Иногда производители для «облегчения жизни» указывают все три параметра: V, IMAX и PMAX. Но такая маркировка является избыточной, ведь напряжение, ток и мощность связаны между собой формулой (1).

Влияние линии электропередачи на систему электропитания

А еще формула (1) связывает электрические параметры системы электропитания с энергетическими. Здесь следует снова напомнить, что оборудование будет нормально работать лишь в том случае, когда оно в каждый момент времени будет обеспечено энергией в нужном количестве. То есть, для работы нагрузки необходимо, чтобы источник питания развивал требуемую мощность P, а значения ее составляющих – напряжения V и тока I – в общем случае, особой роли не играют. Это значит, что, теоретически, мы можем использовать в системе электропитания какое угодно напряжение V, ведь оборудование создается человеком, которому никто не запрещает использовать то напряжение, которое ему удобно, например, безопасное для его здоровья.

Наверное, так бы и было на практике, если бы источник электрической энергии всегда находился рядом с потребителем, а еще лучше – внутри него. Но ведь человек для того и освоил электричество, чтобы передавать энергию в нужную ему точку пространства. Поэтому источник электрической энергии может находиться на очень большом расстоянии от потребителя. Я думаю, немногие читатели смогут хотя бы приблизительно ответить, где физически находится электростанция, вырабатывающая энергию для компьютеров, с помощью которых они сейчас читают эту статью.

Из-за этого в системе электропитания появляется третий важный элемент – линия электропередач (ЛЭП), связывающая источник питания с потребителем энергии (Рисунок 5). И именно проблемы передачи энергии на расстояния – даже на 1 м – заставляют увеличивать напряжение в системе. Причем ограничения, из-за которых это приходится делать, хоть и базируются на законах природы, но имеют совершенно нефизическую природу.

Система питания с ЛЭП.
Рисунок 5. Система питания с ЛЭП.

Рассмотрим это на примере. Пусть у нас есть какое-нибудь оборудование, например, установленное на небольшом заводе, потребляющее мощность P = 100 кВт. И пусть существует электростанция необходимой мощности, но расположенная на расстоянии 100 км от этого предприятия (Рисунок 5). Рассмотрим два варианта системы электропитания. Пусть в первом варианте используется очень опасное для человека напряжение V = 100 кВ, при котором, ток I будет равен:

Во втором случае выберем безопасное напряжение V = 1 В, при котором ток будет равен:

Обратите внимание, что результат (мощность) в обоих случаях одинаков – энергия с нужной скоростью и в нужном количестве будет передаваться через ЛЭП длиной 100 км, и предприятие будет работать. Но будут ли эти две системы одинаковы по другим параметрам?

В простейшем случае, линия электропередач состоит из двух проводов, не имеющих электрического контакта друг с другом. А из курса физики известно, что, во-первых, любой проводник электрического тока обладает сопротивлением, а во-вторых, при протекании электрического тока по проводнику он нагревается. Нагрев проводника является результатом нежелательного преобразования электрической энергии в тепловую, то есть в линиях электропередач всегда будут потери. Мощность потерь в проводах ЛЭП PПОТ определяется законом Джоуля-Ленца:

  (2)

где RПРОВ – общее сопротивление проводов.

С потерями в линии электропередачи придется смириться – они будут всегда1). Однако мы можем контролировать их величину путем выбора сопротивления проводов RПРОВ. Пусть мы будет терять в линии электропередачи до 10% передаваемой энергии. В этом случае максимальная мощность потерь в проводах ЛЭП PПОТ равна:

Определим из формулы (2), какое же максимальное сопротивление должны иметь провода ЛЭП. В первом случае (V = 100 кВ, I = 1 А):

Во втором случае (V = 1 В, I = 100 кА):

Видно, что сопротивление проводов отличается на 10 порядков (в десять миллиардов раз). Много это или мало? Пока ничего не понятно – для обычного человека микроом ничем не отличается килоома, поэтому давайте разбираться дальше.

Геометрические размеры провода ЛЭП.
Рисунок 6. Геометрические размеры провода ЛЭП.

Электрический провод можно представить в виде цилиндра (если он круглого сечения) или параллелепипеда (если прямоугольного) длиной L и площадью поперечного сечения S (Рисунок 6). Электрическое сопротивление такого провода определяется по формуле:

  (3)

где ρ – удельное сопротивление – электрическое сопротивление проводника, выполненного из этого материала, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2 (измеряется Ом∙м).

То есть, сопротивление провода зависит от материала, из которого он изготовлен, а также его физических размеров. Из двух геометрических параметров (длины L и площади поперечного сечения S) мы может изменять только площадь поперечного сечения, потому что длина провода определяется расстоянием между источником и потребителем. В нашем случае электростанция находится на расстоянии 100 км от предприятия, поэтому общая длина двух проводов будет равна L = 100 + 100 = 200 км.

А из какого материала будем делать провода? При всем богатстве выбора, материалов с малым удельным сопротивлением в нашем мире не так уж и много. Наименьшее удельное сопротивление из всех металлов имеет серебро (Таблица 1). Затем идут медь, золото, алюминий и железо. Все остальные доступные металлы из-за высокого значения этого параметра малопригодны для использования в качестве проводников.

Таблица 1. Основные характеристики некоторых металлов
Метал Удельное сопротивление ρ,
Ом∙м
Удельная масса D,
кг/м3
Цена2) Ц,
USD/кг
Серебро 1.59∙10–8 10 500 730
Медь 1.75∙10–8 8 940 6.5
Золото 2.44∙10–8 19 300 59 800
Алюминий 2.82∙10–8 2 700 1.7
Железо 9.80∙10–8 7 870 0.067

Однако кроме удельного сопротивления, каждый из металлов имеет и другие параметры, имеющие важное практическое значение. В первую очередь нас интересуют удельная масса и удельная стоимость. Мы видим, что серебро и золото являются самыми дорогими и тяжелыми металлами из данного списка. Это значит, что линия электропередачи из золота и серебра при том же самом сопротивлении должна получиться и дороже, и тяжелее, чем при использовании других металлов.

В качестве примера определим параметры «серебряной» линии электропередачи для первого варианта (V = 100 кВ, I = 1 А). Для этого из формулы (3) выразим необходимую площадь поперечного сечения S:

Для изготовления двух проводов такого сечения потребуется серебряный слиток объемом V:

Его масса m, будет равна:

И теперь можно определить стоимость металла С, необходимого для изготовления двух проводников ЛЭП:

Проделаем аналогичные операции для других вариантов и посмотрим, что в итоге получится (Таблица 2). Сразу обращаем внимание, что для передачи энергии лучше всего использовать алюминиевые провода. Конечно, дешевле всего было бы использовать железо, но для создания «железной» ЛЭП такой же пропускной способности потребуются в четыре раза увеличить сечение проводов, что приведет к увеличению их массы в 10 раз. Не самым лучшим вариантом для проводов линий электропередач является и медь. Да, медные провода будут иметь меньший диаметр, однако из-за высокой удельной массы меди их масса будет в два раза больше, чем алюминиевых, а это приведет к увеличению их стоимости в восемь раз.

Таблица 2. Результаты расчетов параметров проводов ЛЭП мощностью 100 кВт
Материал
проводов
V = 100 кВ, I = 1 А V = 1 В, I = 100 кА
Сечение,
мм2
Объем,
м3
Вес, т Стоимость,
тыс. USD
Сечение,
м2
Объем,
млн. м3
Вес,
млн. т
Стоимость,
млрд. USD
Серебро 0.32 0.06 0.67 488 3 180 636 6 678 4 874 940
Медь 0.35 0.07 0.63 4.07 3 500 700 6 258 40 677
Золото 0.49 0.10 1.88 112 644 4 880 976 18 837 1 126 440 640
Алюминий 0.56 0.11 0.30 0.52 5 640 1 128 3 046 5 178
Железо 1.96 0.39 3.09 0.21 19 600 3 920 30 850 2 067

Таким образом, медь и алюминий являются наиболее подходящими материалами для электрических проводов, а золото и серебро для создания путей протекания электрического тока используется только в случаях, когда не остается другого выхода, чаще всего – в электронике, например, при производстве микросхем.

Мощные системы электропитания строятся на основе алюминиевых проводов – в этом случае ЛЭП получаются легче и дешевле, чем при использовании других материалов. Медные провода используются, в основном, в последних сегментах ЛЭП – для создания сетей с низким напряжением (230/400 В) для так называемой «последней мили». В этом случае на выбор меди в качестве основного металла проводников3) оказывают влияние ее другие характеристики: более высокая пластичность, простота соединений с другими металлами (например, медь, в отличие от алюминия, очень хорошо паяется) и другие. И, конечно же, медь является основным проводниковым материалом в электронике – в области, где ток величиной 1 А, является настолько большим, что требует специальных условий для его протекания.

Вторым важным выводом, вытекающим из результатов расчетов (Таблица 2), является то, что линию электропередач мощностью 100 кВт с напряжением 1 В не получится построить физически – из-за ультрамалого требуемого сопротивления проводов (1 мкОм) длиной 200 км цифры получаются астрономические. Например, из золота ее сделать не получится, даже если очень сильно захотеть – за всю историю человечества было добыто всего около 160 тысяч тонн этого металла, а для отливки двух проводов 1-вольтовой ЛЭП его потребуется почти 19 миллиардов тонн.

Чтобы наглядно представить себе грандиозность и нелепость ЛЭП с напряжением 1 В, определим диаметр проводников для самого лучшего – «серебряного» – варианта, имеющего наименьшее сечение. В данном случае, чтобы круглый проводник имел площадь поперечного сечения S = 3 180 м2, необходимо, чтобы его диаметр d был равен:

Приблизительно такую высоту имеет 20-этажный дом (Рисунок 7). А уменьшить диаметр проводников при столь низком напряжении нельзя – увеличение сопротивления приведет к увеличению потерь. Например, в ЛЭП с сопротивлением 10 кОм, прекрасно работающей при напряжении 100 кВ, при напряжении 1 В, даже если накоротко замкнуть ее концы, будет протекать ток, равный:

Это значит, что 100-киловольтовая ЛЭП от источника питания с напряжением 1 В сможет «забрать» мощность, равную всего:

То есть, линия электропередачи, через которую при напряжении 100 кВ можно спокойно передавать энергию со скоростью 100 кВт, при напряжении 1 В не сможет передать даже милливатта энергии.

Сравнение сечения проводов для ЛЭП с напряжением 1 В и 100 кВ.
Рисунок 7. Сравнение сечения проводов для ЛЭП с напряжением 1 В и 100 кВ.

Поэтому чем больше расстояние, на которое нужно передать энергию, и чем больше мощность, тем выше напряжение будет в системе электропитания. Из-за этого любая электрическая энергосистема имеет очень четкую иерархическую структуру. Рассмотрим в качестве примера промышленную сеть переменного тока – ту, к которой подключены наши розетки (Рисунок 8). На электростанциях, генерирующих мощные энергетические потоки, напряжение увеличивается до величины, иногда превышающей 1 МВ. Электрическая энергия с таким напряжением с помощью высоковольтных ЛЭП передается на сотни километров к крупным потребителям, например, городам или большим предприятиям. В определенных местах – на трансформаторных подстанциях – это напряжение понижается, а потом, уже с помощью других ЛЭП, рассчитанных на меньшее напряжение, распределяется между группами потребителей с меньшей мощностью, расположенных относительно недалеко от подстанции. Потом с помощью других трансформаторных подстанций – еще меньшей мощности – оно понижается снова и опять распределяется с помощью линий электропередач. В конечном итоге, после нескольких преобразований, число которых завит от мощности и расстояния, напряжение понижается до величины 230 В и достигает наших розеток.

Принцип построения промышленной сети переменного тока.
Рисунок 8. Принцип построения промышленной сети переменного тока.

При дальнейшем уменьшении напряжения, по крайней мере, на уровне электропроводки здания, экономические вопросы и удобство пользования уже начинают вступать в противоречие с вопросами безопасности. Электрооборудование, как промышленное, так и бытовое, может иметь самую разную мощность. И напряжение 230 В, а точнее комбинация напряжений 230/400 В, присутствующая в трехфазной промышленной сети4), оказалась наиболее удобной и экономически выгодной для питания оборудования, потребляющего мощностью от долей ватт до нескольких сотен киловатт.

Пример электрической сети учебного помещения с дополнительной безопасной сетью на 36…48 В.
Рисунок 9. Пример электрической сети учебного помещения с дополнительной безопасной сетью
на 36…48 В.

Но это не значит, что дальше напряжение понижать нельзя. Если это необходимо, то создаются отдельные ЛЭП с напряжением и меньше 230 В. Например, в учебных классах для повышения уровня безопасности может быть создана отдельная питающая сеть с напряжением 36…48 В, от которой будут работать паяльники, лампы и другое учебное оборудование (Рисунок 9). Для питания телекоммуникационного оборудования также могут быть созданы отдельные линии питания постоянного тока с напряжением 48 В, в которые энергия будет поступать через специализированное выпрямительное устройство (Рисунок 10).

Принцип построения системы питания телекоммуникационного оборудования.
Рисунок 10. Принцип построения системы питания телекоммуникационного оборудования.

Таким образом, выбор напряжения в электросети все-таки определится здравым смыслом, хоть для этого иногда и приходится идти на компромисс и ставить под угрозу человеческую жизнь. Но, как показывает практика, большинство бед, создаваемых электричеством, происходит не от самого электричества, а от глупости, невежества и лени людей, которые им пользуются. Грубое нарушение правил устройства и эксплуатации электроустановок, игнорирование элементарных правил защиты от поражения электрическим током – вот основные причины пожаров и гибели людей от электричества. Хотя следует заметить, что, по сравнению с оборудованием, использующим открытый огонь, электрическая техника намного безопасней.

Почему именно 230 В?

Начнем с того, что напряжение такой величины в розетках было не всегда, и в разных странах оно разное. Каждое государство имеет право самостоятельно устанавливать стандарты электропитания, и многие страны в свое время этим активно воспользовались. На сегодняшний день распространены два напряжения питания для конечного электрооборудования: 110…120 В и 220…240 В (Рисунок 11). Внимательный читатель наверняка обратил внимание, что эти напряжения отличаются в два раза, и это не случайность.

Напряжения и частота тока в электрических розетках разных стран
Рисунок 11. Напряжения и частота тока в электрических розетках разных стран [1].
Источник: commons.wikimedia.org

На самом деле, страны с низким напряжением в электросети, например, США и Япония, уже давно столкнулись с проблемой подключения мощного оборудования. Поэтому они используют двухфазную систему питания, которую можно представить в виде двух последовательно соединенных источников с напряжением 110…120 В (Рисунок 12). Маломощные потребители подключаются к нейтральному и одному из фазных проводов и питаются напряжением 110…120 B. А мощные – к двум фазным проводам, при этом напряжение питания удваивается и становится равным 220…240 В. Чтобы случайно не перепутать и не подключить оборудование к «неправильному» источнику, в этих странах для напряжения 110 В и 220 В используют разные розетки, что исключает ошибочное подключение.

Принцип построения распределительных сетей 115/230 В.
Рисунок 12. Принцип построения распределительных сетей 115/230 В.

Проследить происхождение цифры 110 В сейчас уже достаточно сложно. В самом начале коммерческого использования электричества – в первой половине XIX века – оно использовалось, в основном, для освещения. Первыми электрическими осветительными приборами были дуговые лампы, для работы которых требовалось напряжение около 45 B. Достаточно быстро было установлено, что для устойчивого горения этого осветительного прибора в цепь питания нужно устанавливать балластный резистор, падение напряжения на котором достигало 20 В. Таким образом, для работы первых ламп требовалось напряжение не ниже 65 В.

Практический опыт строительства и эксплуатации электрических систем освещения показал, что для коммерческого успеха необходимо устанавливать электростанции чуть ли не возле каждого фонаря – слишком дороги были провода и слишком мало они передавали энергии. Очень быстро специалисты стали включать по две дуговые лампы последовательно, что позволило увеличить пропускную способность проложенных кабелей практически в два раза5). Так появилось напряжение 110 В (45 + 45 + 20). Со временем, чтобы компенсировать падение напряжение на проводах, его увеличили на 5…10 В, в результате чего появились напряжения 115…120 В.

Немаловажную роль в появлении напряжения 110 В, по всей видимости, сыграл Томас Эдисон – его первые лампы накаливания сразу были рассчитаны на 110 В. По непроверенным данным, ему просто нравилось это число, хотя могли быть и другие технические и экономические причины выбора именно этого напряжения. В конечном итоге, когда появились мощные потребители электроэнергии, в США, где шло наиболее бурное развитие коммерческого электричества, уже было достаточно большое количество электрооборудования и распределительных систем, рассчитанных на 110 В, и менять стандарты стало уже слишком дорого.

В странах Европы массово использовать электричество стали гораздо позже – ближе к концу XIX века. К этому времени, благодаря опыту США, уже были известны недостатки и ограничения существующих систем. Поэтому в странах Европы достаточно быстро стали внедрять оборудование, рассчитанное на удвоенное напряжение 220 В, хотя первое время – до стандартизации – в Европе также существовали системы, использующие 110 В. Кроме того, в странах Европы практически сразу стали применять переменный ток и трехфазные системы электроснабжения, что позволило избежать многих проблем, присущих системам на основе постоянного тока.

А что будет если…?

А что будет, если сейчас взять и запретить (разумеется, исключительно ради нашей безопасности), использовать высокое напряжение в розетках. Ведь может же правительство принять закон, запрещающий использование в быту напряжения выше допустимого сверхнизкого значения6). Как тогда изменится наша жизнь? Рассмотрим это на примере.

Большинство электрических розеток рассчитано на ток, не превышающий 16 А. Изготовить розетки на больший ток технически можно, но работать с ними будет крайне неудобно – из-за большей площади контакта и большей силы прижима пользоваться такими розетками смогут лишь специально обученные люди с сильными руками.

При токе 16 А и напряжении 230 В максимальная мощность, которую можно получить из розетки, равна:

Эта мощность является техническим пределом для бытового оборудования, не рассчитанного на стационарное подключение. При этом длительно выдержать ток 16 А и не расплавиться могут далеко не все вилки и розетки, даже если на них нарисовано, что они на это рассчитаны. Зная это, производители оборудования стараются не создавать приборы, рассчитанные на подключение к розеткам и потребляющие ток больше 10 А. Таким образом, реальная мощность оборудования, подключаемого к розеткам, ограничена на уровне, приблизительно 2.3 кВт. Более мощное оборудование подключается к сети другими способами и по другим схемам, которые будут рассмотрены чуть позже.

А теперь уменьшим напряжение в розетке до максимально возможной безопасной величины – 50 В, которая, кстати, не дает никаких гарантий безопасности7). При реальном токе 10 А, ограниченном возможностями и ценой бытовых розеток, максимальная мощность, которую можно получить из системы электропитания, будет равна:

При такой мощности чайник будет греть воду в четыре раза дольше обычного, пылесос будет собирать по три пылинки в секунду, а кондиционер сможет охладить воздух только в домике хомячка. А чтобы подключить более мощное оборудование, придется полностью переделать электропроводку, поскольку все розетки, кабели, автоматы рассчитываются на основе не напряжения, а тока, который они могут пропустить в течение длительного времени.

Высокое напряжение и шарлатаны

Мощные электрические энергосистемы должны быть высоковольтными – мы это уже выяснили, и это знание подкреплено математическими расчетами, основанными на законах физики. Однако обратное утверждение – высоковольтные системы должны быть мощными – неверно, потому что мощность, согласно формуле (1), является произведением напряжения и тока. Если ток в высоковольтной системе мал, то и мощность будет небольшой.

Примерами маломощных высоковольтных систем являются:

  • газовые электрозажигалки, в которых напряжение пальчиковой батарейки (1.5 В) увеличивается до нескольких киловольт, при этом ток, потребляемый от источника питания, не превышает нескольких миллиампер, а мощность – несколько десятков милливатт;
  • автомобильная система зажигания, работающая аналогично электрозажигалке – напряжение, подаваемое на свечи двигателя, достигает 30 кВ, в то время как энергия, затрачиваемая на один разряд в свече, не превышает 0.1 Дж, таким образом, общая мощность этой системы не превышает 25 Вт;
  • кинескопы старых телевизоров и мониторов – на их второй анод подается напряжение 12…16 кВ (черно-белые) или 25 кВ (цветные), при этом максимальный ток анода не превышает 300 мкА (черно-белые) и 1 мА (цветные), таким образом, максимальная мощность высоковольтных источников питания кинескопов не больше 5 Вт (черно-белые) и 25 Вт (цветные).

К сожалению, существует определенный круг людей, которые от словосочетания «высокое напряжение» впадают в экстаз и принципиально не хотят видеть разницы между «большим напряжением» и «большой мощностью». Особенно много таких людей среди «исследователей» эфира, «свободных энергий», «торсионных полей» и других подобных «явлений». Я согласен, что вид неодимового магнита, проносящегося мимо катушки, обладает некоторым волшебством, а наблюдение на экране осциллографа импульсов с амплитудой несколько сотен вольт вселяет надежду что «мы на верном пути к бесплатной энергии». Но практически всегда эти люди просто принимают желаемое за действительное и, по разным причинам, не хотят разбираться в процессах, происходящих в их устройствах.

И на это можно было бы не обращать внимания, если бы не возможность «вещать на весь мир», появившуюся после развития сети Интернет. К сожалению, обладая определенной харизмой, эти люди в глазах еще более невежественных людей становятся «авторитетами» по некоторым вопросам. А это уже прямой путь к мошенничеству.

Сейчас в сети можно встретить достаточно большое количество доступных для приобретения конструкторов и готовых устройств, обещающих «бесплатное» электричество в виде импульсов высокого напряжения, «вытащенных» из 12-вольтового аккумулятора. Соглашаясь на подобные предложения, люди за реальные деньги получают, в лучшем случае, макет для демонстрации явлений, обнаруженных еще Фарадеем. Поэтому не попадайтесь на уловки мошенников и помните, что наличие высокого напряжения еще не означает наличия большой мощности – в большинстве случаев ток в подобных устройствах оказывается слишком мал для практического применения. А если даже и ток, и напряжение велики, что свидетельствует о большой мгновенной мощности, то есть еще время длительности этого состояния, определяющее количество энергии – главный параметр для определения КПД.

Мне не раз приходилось общаться с «искателями свободных энергий», в том числе и лично. Но пока еще никому из них не удалось объективно доказать факт получения «энергии из ничего» – достаточно быстро их аккумуляторы садились, а «чудо-моторы» останавливались. Но это не значит, что подобные эксперименты не нужно проводить совсем – в конце концов, именно такие упрямцы и открывают новые законы и явления. Однако для этого нужно много работать и хорошо знать уже известные и изученные вещи, а самое главное – не бояться и не лениться сомневаться в себе.

Заключение

Напряжение и ток, хоть они и связаны между собой, определяются разными компонентами системы электропитания: напряжение – источником, а ток – потребителем электрической энергии. Эти параметры ни в коем случае нельзя путать. По отдельности ни напряжение, ни ток не выполняют никакой полезной функции. Согласно формуле (1), даже если у нас будет миллиард миллиардов вольт, но ток будет равен нулю, толку от такой системы не будет никакого, потому что энергия потребляется электроприбором только в случае одновременного присутствия на его выводах питания и напряжения, и тока. Только в этом случае оборудованием будет выполняться полезная работа, и его использование будет иметь практический смысл.

А вот конкретные значения напряжения и тока уже определяются здравым смыслом и опытом, накопленным за два века коммерческого использования электричества. И хоть в наших розетках и присутствует опасное для жизни напряжение, его величина является технически и экономически обоснованной и ее изменение повлечет за собой изменение качества нашей жизни. Поэтому с высоким напряжением придется смириться. Но самое главное – с ним нужно научиться правильно «дружить», поскольку безопасным электричество будет только при обязательном соблюдении всех правил обращения с электропроводкой и электрическими приборами.

Список источников

  1. Сетевое напряжение (статья в Википедии)
  2. Why Is There 230-Volt Power in Europe and 120 Volts in North America?

Сноски

1) Существуют экспериментальные проекты криогенных линий электропередачи, в которых проводники охлаждаются до температуры, при которой появляется эффект сверхпроводимости. Потери проводимости в этих системах минимальны, однако появляются дополнительные потери на охлаждение кабелей. Поэтому потери при передаче энергии будут всегда, просто их количество и вид могут быть совершенно разными.

2) В таблице указаны цены 2020 года. Реальная цена металлов на рынке постоянно изменяется, однако для понимания сути этого материала абсолютное значение цены не имеет особого значения.

3) На самом деле электрические провода уже давно не делают из чистой меди или чистого алюминия – это дорого. Сейчас применяются различные сплавы, которые уменьшают стоимость проводов, но без значительного ухудшения их электрических и эксплуатационных характеристик.

4) Этот вопрос будет рассмотрен в следующей части цикла.

5) Кабельная ЛЭП состоит из проводников и изоляции. Даже самая простая изоляция обычно способна без проблем выдержать напряжение до 400 В. Поэтому увеличение напряжения с 65 до 110 не вызвало особых технических проблем.

6) Сверхнизкое напряжение (Extra-Low Voltage, ELV) – напряжение, считающееся безопасным для человека в обычных условиях (до 50 В переменного тока и до 120 В постоянного тока)

7) Человека поражает не напряжение, а ток. Известны случаи гибели людей от электрического тока в системах с напряжением 12 В и меньше. Вопросы электробезопасности будут подробно рассмотрены в одной из следующих глав.

Источник

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

Обсудить эту статью на форуме (2 ответов).

Copyright 2019 © simple-devices.ru.
При использовании материалов ссылка на simple-devices.ru обязательна.