О природе электрического тока и основах электротехники / Хабр

В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто  не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.  

1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)  

1.1 Пара общих слов по физике вопроса  
Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд.  Так-то атом  электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки.  Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню,  данная статья — это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по  «электронная теория проводимости»).

Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике  и  жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.

1.2 Создание электрического тока.  
Но просто так ток в проводнике не возникнет.  Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет.  В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно.  Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно.  Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом  заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить.  Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.

Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание!   См. рисунок ниже

рис 1. Генератор напряжения величиной Uрис 2. Генератор тока  величиной I

На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток.  Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения.  Представим следующую цепь 

рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1

 
В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть  — сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды увеличится.  Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда   мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.  

Рассмотрим теперь цепь с генератором тока. 

рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2

Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью — ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))

 
2. Закон Ома.

 
Сначала c точки зрения генератора напряжения

Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R
 
Теперь с точки зрения генератора тока

Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R

 
Вот как-то надо этот момент осознать.
 Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается.
Можно конечно еще записать R=U/I.
Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R.
 
Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота.
Это чисто технические моменты.
Что-то вроде

рис 5. Последовательное включение резисторов

Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I.  Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?    
Используйте закон Ома и все!  
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще — говорят «падение напряжения на резисторе», потому что «производит» напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.

Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.

1. Самая важная схема.  
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни — это делитель напряжения.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))

3. Делитель напряжения      
Схема имеет вид.    

рис 6. Делитель напряжения

Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.

Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.

Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).

Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.

Второй важный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)

рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.

Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.

Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.

Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!

В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.

Химия и ток

В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.

На сегодняшний день существует
множество разных типов батареек, среди
которых все сложнее ориентироваться.
Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор
отличается от суперконденсатора и почему
водородный топливный элемент можно
использовать, не опасаясь нанести
вред окружающей среде. В этой статье
мы расскажем о том, как для получения
электроэнергии используются химические
реакции, в чем разница между основными
типами современных химических источников
тока и какие перспективы открываются
перед электрохимической энергетикой.

Химия как
источник электричества

Сначала разберемся, почему химическую
энергию вообще можно использовать для
получения электричества. Все дело в
том, что при окислительно-восстановительных
реакциях происходит перенос электронов
между двумя разными ионами. Если две
половины химической реакции разнести
в пространстве, чтобы окисление
и восстановление проходили отдельно
друг от друга, то можно сделать
так, чтобы электрон, который отрывается
от одного иона, не сразу попадал
на второй, а сначала прошел по
заранее заданному для него пути. Такую
реакцию можно использовать как источник
электрического тока.

Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII
веке итальянским физиологом Луиджи
Гальвани. Действие традиционного
гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с
разной активностью. Например, классической ячейкой является
гальванический элемент, в котором
происходит окисление цинка и восстановление
меди. Реакции восстановления и окисления
проходят, соответственно, на катоде
и аноде. А чтобы ионы меди и цинка
не попадали на «чужую территорию»,
где они могут прореагировать друг
с другом непосредственно, между
анодом и катодом обычно помещают
специальную мембрану. В результате
между электродами возникает разность
потенциалов. Если соединить электроды,
например, с лампочкой, то в получившейся
электрической цепи начинает течь ток
и лампочка загорается.

Помимо материалов анода и катода,
важной составляющей химического
источника тока является электролит,
внутри которого движутся ионы и на
границе которого с электродами протекают
все электрохимические реакции. При этом
электролит не обязательно должен быть
жидким — это может быть и полимерный,
и керамический материал.

Основным недостатком гальванического
элемента является ограниченное время
его работы. Как только реакция пройдет
до конца (то есть будет полностью
израсходован весь постепенно растворяющийся
анод), такой элемент просто перестанет
работать.

Возможность перезарядки

Первым шагом
к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора —
источника тока, который можно перезаряжать
и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые
химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так
что после перезарядки батарею можно будет использовать
заново.

На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.

Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают модифицировать материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые блокируют образование взрывоопасных структур, и компоненты, подавляющие возгорание на ранних стадиях.

Твердый электролит

В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный
источник тока. В таких устройствах
вообще нет жидких
компонентов, а есть слоистая структура
из твердого анода, твердого катода и
твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию
мембраны. Носителями заряда в
твердом электролите могут быть
различные ионы — в зависимости от его
состава и тех реакций, которые проходят
на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые
могут относительно свободно перемещаться
по кристаллу, например протоны H⁺, ионы лития Li⁺
или ионы кислорода O^2-.

Водородные
топливные элементы

Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.

Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.

Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая
схема была предложена еще в
середине XIX века.

Но несмотря на то, что схема выглядит
довольно простой, создать основанное
на этом принципе эффективно работающее
устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.

Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное
топливо (водород), а к катоду —
окислитель (кислород из воздуха), и на границе
каждого из электродов с электролитом
проходит своя полуреакция (окисление
водорода и восстановление кислорода
соответственно). При этом, в зависимости
от типа топливного элемента и типа
электролита, само образование воды
может протекать или в анодном, или
в катодном пространстве.

Если электролит является протонпроводящей
полимерной или керамической мембраной,
раствором кислоты или щелочи, то носителем
заряда в электролите являются ионы
водорода. В таком случае на аноде
молекулярный водород окисляется до ионов
водорода, которые проходят через
электролит и там реагируют с кислородом.
Если же носителем заряда является
ион кислорода O^2–, как в случае
твердооксидного электролита, то на катоде
происходит восстановление кислорода
до иона, этот ион проходит через
электролит и окисляет на аноде
водород с образованием воды и свободных
электронов.

Кроме реакции окисления водорода для
топливных элементов предложено
использовать и другие типы реакций.
Например, вместо водорода восстановительным
топливом может быть метанол, который
кислородом окисляется до углекислого
газа и воды.

Эффективность
топливных элементов

Несмотря на все преимущества
водородных топливных элементов (такие
как экологичность, практически
неограниченный КПД, компактность
размеров и высокая энергоемкость),
они обладают и рядом недостатков. К
ним относятся, в первую очередь,
постепенное старение компонентов
и сложности при хранении водорода.
Именно над тем, как устранить эти
недостатки, и работают сегодня ученые.

Повысить эффективность топливных
элементов в настоящее время предлагается
за счет изменения состава электролита,
свойств электрода-катализатора,
и геометрии системы (которая
обеспечивает подачу топливных газов
в нужную точку и снижает побочные
эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать, например, графеновые мембраны.

В результате удается добиться
повышения стабильности работы топливного
элемента и времени жизни его отдельных
компонентов. Сейчас коэффициент
преобразования химической энергии в
электрическую в таких элементах
достигает 80 процентов, а при
определенных условиях может быть и еще
выше.

Огромные перспективы водородной
энергетики связывают с возможностью
объединения топливных элементов в целые
батареи, превращая их в электрогенераторы
с большой мощностью. Уже сейчас
электрогенераторы, работающие на
водородных топливных элементах, имеют
мощность до нескольких сотен киловатт
и используются как источники питания
транспортных средств.

Альтернативные электрохимические накопители

Помимо
классических электрохимических
источников тока, в качестве накопителей
электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из
таких систем является суперконденсатор
(или ионистор) — устройство, в котором
разделение и накопление заряда происходит за счет
образования двойного слоя вблизи
заряженной поверхности. На
границе электрод-электролит в таком
устройстве в два слоя выстраиваются
ионы разных знаков, так называемый
«двойной электрический слой», образуя
своеобразный очень тонкий конденсатор.
Емкость такого конденсатора, то есть
количество накопленного заряда, будет
определяться удельной площадью
поверхности электродного материала,
поэтому в качестве материала для
суперконденсаторов выгодно брать
пористые материалы с максимальной
удельной площадью поверхности.

Ионисторы являются рекордсменами
среди зарядно-разрядных химических
источников тока по скорости заряда, что
является несомненным преимуществом
данного типа устройств. К сожалению,
они также являются рекордсменами
и по скорости разряда. Энергоплотность
ионисторов в восемь раз меньше по сравнению
со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз
меньше по сравнению с литий-ионными.
Классические «двойнослойные» ионисторы
не используют электрохимическую реакцию
в своей основе, и к ним наиболее точно
применим термин «конденсатор». Однако
в тех вариантах исполнения ионисторов,
в основе которых используется
электрохимическая реакция и накопление
заряда распространяется в глубину
электрода, удается достичь более высоких
времен разрядки при сохранении быстрой
скорости заряда. Усилия разработчиков
суперконденсаторов направлены на
создание гибридных с аккумуляторами
устройств, сочетающих в себе плюсы
суперконденсаторов, в первую очередь
высокую скорость заряда, и достоинства
аккумуляторов — высокую энергоемкость
и длительное время разряда. Представьте
себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор,
который будет заряжаться за пару минут
и обеспечивать работу ноутбука или
смартфона в течение суток или более!

Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках.

* * *

Таким образом, на сегодня существует
большое количество электрохимических
устройств, каждое из которых
перспективно для своих конкретных
приложений. Для повышения эффективности
работы этих устройств ученым необходимо
решить ряд задач как фундаментального,
так и технологического характера.
Большинством этих задач в рамках
одного из прорывных проектов занимаются
в Уральском федеральном университете,
поэтому о ближайших планах и
перспективах по разработке современных
топливных элементов мы попросили
рассказать директора Института
высокотемпературной электрохимии УрО
РАН, профессора кафедры технологии
электрохимических производств
химико-технологического института
Уральского федерального университета
Максима Ананьева.

N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?

Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков
аккумуляторов направлены на замену
типа носителя заряда в электролите
с лития на натрий, калий, алюминий.
В результате замены лития можно будет
снизить стоимость аккумулятора, правда
при этом пропорционально возрастут
массо-габаритные характеристики. Иными
словами, при одинаковых электрических
характеристиках натрий-ионный аккумулятор
будет больше и тяжелее по сравнению
с литий-ионным.

Кроме того, одним из перспективных
развивающихся направлений совершенствования
аккумуляторов является создание
гибридных химических источников энергии,
основанных на совмещении металл-ионных
аккумуляторов с воздушным электродом,
как в топливных элементах. В целом,
направление создания гибридных систем,
как уже было показано на примере
суперконденсаторов, по-видимому, в
ближайшей перспективе позволит увидеть
на рынке химические источники энергии,
обладающие высокими потребительскими
характеристиками.

Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов — «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».

Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.

Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.

Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?

Одними из наиболее перспективных
типов топливных элементов являются
протонно-керамические элементы. Они
обладают преимуществами перед полимерными
топливными элементами с протонно-обменной
мембраной и твердооксидными элементами,
так как могут работать при прямой подаче
углеводородного топлива. Это существенно
упрощает конструкцию энергоустановки
на основе протонно-керамических
топливных элементов и систему
управления, а следовательно, увеличивает
надежность работы. Правда, такой тип
топливных элементов на данный момент
является исторически менее проработанным,
но современные научные исследования
позволяют надеяться на высокий
потенциал данной технологии в будущем.

Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?

Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом
высокотемпературной электрохимии
(ИВТЭ) Уральского отделения Российской
академии наук работают над созданием
высокоэффективных электрохимических
устройств и автономных генераторов
электроэнергии для применений в
распределенной энергетике.
Создание энергоустановок для распределенной
энергетики изначально подразумевает
разработку гибридных систем на основе
генератора электроэнергии и накопителя,
в качестве которых выступают аккумуляторы.
При этом топливный элемент работает
постоянно, обеспечивая нагрузку в
пиковые часы, а в холостом режиме заряжает
аккумулятор, который может сам выступать
резервом как в случае высокого
энергопотребления, так и в случае
внештатных ситуаций.

Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ
достигли в области разработки
твердо-оксидных и протонно-керамических
топливных элементов. Начиная с 2016
года на Урале вместе с ГК «Росатом»
создается первое в России производство
энергоустановок на основе твердо-оксидных
топливных элементов. Разработка уральских
ученых уже прошла «натурные» испытания
на станции катодной защиты
газотрубопроводов на экспериментальной
площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка
с номинальной мощностью 1,5 киловатта
отработала более 10 тысяч часов
и показала высокий потенциал применения
таких устройств.

В рамках совместной лаборатории
УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки
электрохимических устройств на основе
протонпроводящей керамической мембраны.
Это позволит в ближайшем будущем снизить
рабочие температуры для твердо-оксидных
топливных элементов с 900 до 500
градусов Цельсия и отказаться
от предварительного риформинга
углеводородного топлива, создав, таким
образом, экономически эффективные
электрохимические генераторы, способные
работать в условиях развитой в России
инфраструктуры газоснабжения.

Александр Дубов

Введение в электроэнергию | Поговорим о науке

МБ
6
Наука 6 класс (2000)
Кластер 3: Электричество

NL
6
Наука 6 класс (2018)
Раздел 3: Электричество

NS
6
Наука 6 (2019)
Физические науки: электричество

NU
6
Учебная программа K-6 по науке и технологиям (СЗТ, 2004 г.)
Энергетика и управление: электричество

PE
6
Наука 6 класс (2012)
Физические науки: электричество

SK
6
Наука 6 класс (2009)
Физические науки – Понимание электричества (EL)

НТ
6
Учебная программа K-6 по науке и технологиям (СЗТ, 2004 г.)
Энергия и управление: электричество

ON
6
Наука и техника, 6 класс (2022)
Цепь C: электрические явления, энергия и устройства

до н.э.
9
Естествознание 9 класс (июнь 2016 г.)
Большая идея: Электрический ток — это поток электрического заряда.

Н.С.
9
Наука 9 (2021)
Характеристики электричества

НУ
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 9 (Альберта, редакция 2009 г.)
Раздел D: Электрические принципы и технологии

НУ
9
Наука 9 (Альберта, 2003 г. , обновлено в 2014 г.)
Блок D: Электрические принципы и технологии

Контроль качества
Раздел IV
Прикладная наука и технологии
Материальный мир

YT
9
Science Grade 9 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
Большая идея: Электрический ток — это поток электрического заряда.

СК
9
Наука 9 (2009)
Физические науки – характеристики электричества (CE)

NT
9
Наука 9 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Раздел D: Электрические принципы и технологии

ВКЛ.
9
9 класс естественных наук (SNC1W) (2022)
Strand D: Принципы и применение электричества

AB
11
Наука 24 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

AB
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 8, 9 (пересмотрено в 2009 г.)
Модуль D: Электрические принципы и технологии

AB
9
Наука 7-8-9 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль D: Электрические принципы и технологии

NU
11
Наука 24 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

НТ
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 9 (Альберта, редакция 2009 г. )
Модуль D: Электрические принципы и технологии

NT
11
Наука 24 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

AB
12
Физика 30 (2007 г., обновление 2014 г.)
Блок B: Силы и поля

до н.э.
7
Естествознание, 7 класс (июнь 2016 г.)
Большая идея: электромагнитная сила производит как электричество, так и магнетизм.

МБ
11
Старший 3 Физика (2003)
Тема 4: Поля

МБ
12
Старший 4 Физика (2005)
Тема 3: Электричество

NB
12
Физика 12 (2003)
Поля

NL
12
Физика 3204 (2019)
Блок 3: Поля

NU
12
Physics 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Блок B: Силы и поля

ON
11
Физика, 11 класс, университет (SPh4U)
Strand F: Электричество и магнетизм

ON
12
Физика, 12 класс, Колледж (SPh5C)
Нить D: электричество и магнетизм

ON
12
Физика, 12 класс, университет (СПх5У)
Цепь D: гравитационные, электрические и магнитные поля

Контроль качества
Раздел IV
Экологические науки и технологии
Материальный мир

КК
Раздел IV
Наука и окружающая среда
Материальный мир

YT
7
Science Grade 7 (Британская Колумбия, июнь 2016 г. )
Большая идея: электромагнитная сила производит как электричество, так и магнетизм.

СК
12
Физика 30 (2017)
Поля

НТ
12
Physics 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Блок B: Forces and Fields

AB
12
Наука 30 (2007 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль C: Электромагнитная энергия

до н.э.
12
Физика 12 (июнь 2018 г.)
Большая идея: взаимодействия сил и энергии происходят внутри полей.

НУ
12
Science 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Блок C: Электромагнитная энергия

PE
12
Физика 621А (2010)
Электричество и магнетизм

YT
12
Physics 12 (Британская Колумбия, июнь 2018 г.)
Большая идея: взаимодействия сил и энергии происходят внутри полей.

НТ
12
Science 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль C: Электромагнитная энергия

Ток и напряжение – разница и сравнение

Ток — это скорость, с которой электрический заряд проходит через точку в цепи. Напряжение — это электрическая сила, которая вызывает электрический ток между двумя точками.

Сравнительная таблица

Сравнительная таблица тока и напряжения

	Ток	Напряжение
Символ	I	В
Определение	Ток – это скорость, с которой электрический заряд проходит через точку цепи. Другими словами, ток — это скорость протекания электрического заряда.	Напряжение, также называемое электродвижущей силой, представляет собой разность зарядов потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Другими словами, напряжение — это «энергия на единицу заряда».
Блок	А или ампер или сила тока	В или вольт или напряжение
Связь	Ток является следствием (напряжение является причиной). Ток не может течь без напряжения.	Напряжение является причиной, а ток — следствием. Напряжение может существовать без тока.
Измерительный прибор	Амперметр	Вольтметр
Единица СИ	1 ампер = 1 кулон/сек.	1 вольт = 1 джоуль/кулон. (В=В/Ц)
Созданное поле	Магнитное поле	Электростатическое поле
Последовательное соединение	Ток одинаков во всех компонентах, соединенных последовательно.	Напряжение распределяется между последовательно соединенными компонентами.
При параллельном соединении	Ток распределяется по компонентам, соединенным параллельно.	Напряжения одинаковы для всех компонентов, соединенных параллельно.

Связь между напряжением и током

Ток и напряжение — две основные величины в электричестве. Напряжение является причиной, а ток следствием.

Напряжение между двумя точками равно разности электрических потенциалов между этими точками. На самом деле это электродвижущая сила (ЭДС), ответственная за движение электронов (электрический ток) по цепи. Поток электронов, приводимых в движение напряжением, называется током. Напряжение представляет собой способность каждого кулона электрического заряда совершать работу.

В следующем видео показана взаимосвязь между напряжением и током:

Цепь

Электрическая цепь с источником напряжения (например, батареей) и резистором.

Источник напряжения имеет две точки с разницей электрических потенциалов. Когда между этими двумя точками есть замкнутый контур, он называется цепью, и по ней может течь ток. При отсутствии цепи ток не будет течь, даже если есть напряжение.

Символы и единицы измерения

Прописная курсивная буква I символизирует ток. Стандартной единицей измерения является ампер (или ампер), обозначаемый буквой А. Единица измерения тока в системе СИ составляет кулона в секунду .

1 ампер = 1 кулон в секунду.

Один ампер тока представляет собой один кулон электрического заряда (6,24 x 10 ¹⁸ носителей заряда), проходящий мимо определенной точки цепи за одну секунду. Устройство, используемое для измерения тока, называется Амперметр .

Заглавная курсивная буква В символизирует напряжение.

1 вольт = 1 джоуль/кулон.

Один вольт проведет один кулон (6,24 x 10 ¹⁸ ) носителей заряда, таких как электроны, через сопротивление в один ом за одну секунду. Вольтметр используется для измерения напряжения.

Поля и напряженность

Электрический ток всегда создает магнитное поле. Чем сильнее ток, тем интенсивнее магнитное поле.

Напряжение создает электростатическое поле. По мере увеличения напряжения между двумя точками электростатическое поле становится более интенсивным. По мере увеличения расстояния между двумя точками, имеющими заданное напряжение по отношению друг к другу, напряженность электростатического поля между точками уменьшается.

Последовательное и параллельное соединения

В последовательной цепи

Напряжения складываются для компонентов, соединенных последовательно. Токи одинаковы во всех компонентах, соединенных последовательно.

Электрические компоненты в последовательном соединении

Например, если батарея 2 В и батарея 6 В соединены последовательно с резистором и светодиодом, ток через все компоненты будет одинаковым (скажем, 15 мА), но напряжения будут разными (5В на резисторе и 3В на светодиоде).