Фаза и ноль в электрике — это должен знать каждый

Сразу оговоримся – эта статья не предназначена для электриков: им и так все изложенное в ней давно и хорошо известно. Поэтому автор просит профессионалов воздержаться от едких комментариев, хотя и будет рад принципиальным замечаниям по существу. Целевая же аудитория настоящей публикации – это те владельцы домов и квартир, кто пока делает первые шаги в освоении электрики, те, для кого данная область – «тёмный лес», порой вызывающая даже какой-то «суеверный страх». Вот этим людям действительно будет немаловажно получить хотя бы начальные понятия о том, в каком виде электричество, без которого современную жизнь представить невозможно, попадает в наш дом.

Фаза и ноль в электрике – это необходимо знать каждому!
Фаза и ноль в электрике – это необходимо знать каждому!

Всем, надо полагать, известно то, что электричество в бытовом его использовании передается по проводам, заведенным откуда-то извне в дом или квартиру. То, что этих проводов – несколько, в том числе наиболее часто упоминающиеся фазный и нулевой. А вот что такое фаза и ноль в электрике – многим непонятно: в чем разница между ними, какую функцию каждый из них выполняет, насколько велика опасность, от них исходящая? И есть ли еще какие-то провода, кроме нуля и фазы, а если есть – то зачем они нужны?

Знание этих основополагающих моментов наверняка пригодится как в разрезе обеспечения собственной безопасности, так и с прикладной точки зрения, так как некоторые электротехнические работы можно выполнить и самостоятельно.

Общие понятия о переменном токе, применяемом в домашних сетях

Трудно будет понять предназначение фазы и нуля, если не иметь представления о самой сути переменного электрического тока с точки зрения физики. А начать нужно с самых азов, уделив хотя бы минимум внимания основополагающим понятиям.

Электрический заряд

Все взаимодействия тел в природе имеют общую природу. Это и неудивительно – любое вещество, без исключения, состоит из молекул, те, в свою очередь – из атомов. А атом – это положительно заряженное ядро с определенным количеством протонов, и вращающимися вокруг него по орбитам отрицательно заряженными электронами.  Таким образом – отдельно взятый атом это «сбалансированная» система с нулевым зарядом, так как количество отрицательно заряженных электронов равно количеству протонов, несущих положительный заряд.

Модель атома углерода – вокруг положительно заряженного ядра по орбиталиям вращаются отрицательные электроны.
Модель атома углерода – вокруг положительно заряженного ядра по орбиталиям вращаются отрицательные электроны.

Часть электронов, находящихся на близких к ядру орбиталиях, никогда не меняют своего расположения – они называются связанными и постоянно остаются в границах атома. Но некоторые электроны на внешних орбиталиях вполне могут взаимодействовать с соседними атомами, участвуя в химических реакциях или в электромагнитных физических взаимодействиях. Такие электроны называются валентными, а сама валентность того или иного вещества является важнейшей характеристикой его химической активности или способности к образованию свободных отрицательных зарядов – электронов.

Обилием потенциально свободных электронов славятся металлы – их количество в сформировавшейся кристаллической решетке этих материалов настолько велико, что речь в некоторых физических моделях порой даже идет речь о своеобразном «электронном газе».

Мнение эксперта:

Афанасьев Е.В.

Главный редактор проекта Stroyday.ru. Инженер.

Задать вопрос эксперту

Этот так называемый «газ» представляет собой совокупность непрочно связанных с молекулярной решеткой электронов, находящихся в хаотичном движении, но при создании требуемых условий – способных переносить заряд в нужном направлении на значительные расстояния.

Иллюстрация для облегчения общего понятия о свободных электронах в проводнике.
Иллюстрация для облегчения общего понятия о свободных электронах в проводнике.

Давайте взглянем на иллюстрацию выше. Тело металлического проводника (поз. 1) представляет собой кристаллическую решетку (поз. 2) из атомов (в некоторых случаев – более крупных молекул) металла (химического элемента или сплава). В любом из этих атомов часть электронов связаны неразрывно с ядром 9поз. 3), и тем самым предопределяют, можно сказать, химическую уникальность материала. Но весьма значительное количество электронов (поз. 4) с ядром практически не связано, или связь может легко нарушиться под внешним воздействием электромагнитных полей. Именно этот «массив» и становится «переносчиком» электрического тока в металлическом проводнике.

Мнение эксперта:

Афанасьев Е.В.

Главный редактор проекта Stroyday.ru. Инженер.

Задать вопрос эксперту

Здесь не зря сделано уточнение о металлическом проводнике. Дело в том, что в газообразной или жидкой среде переносчиками тока становятся ионы – атомы или молекулы, потерявшие электрон или приобретшие его из-за особенностей среды. Там имеются свои особенности, и в рамках данной публикации они рассматриваться не будут. Тем более что у нас разговор нацелен на фазу и ноль домашней электрической сети, а в ней не используется передача энергии ни в жидкой, ни в газообразной среде.

А какое взаимодействие оказывают заряды друг на друга?

Это все весьма доходчиво сформулировано в теории французского физика Шарля-Огюстена-Де-Кулона, занимавшегося этими вопросами в качестве одного из пионеров электрики еще в конце XVIII века. Конечно, опыты проводились им на достаточно примитивном оборудовании – подвешенных на нитках-торсионах металлических шариках, которым придавался определенный положительный или отрицательный заряд, и на «крутильных весах», позволяющих в определённой степени количественно оценить силу взаимодействия наэлектризованных тел.

Примерно так выглядели «крутильные весы» Ш. Кулона, позволившие ему впервые количественно оценить заряды отдельных наэлектризованных тел.
Примерно так выглядели «крутильные весы» Ш. Кулона, позволившие ему впервые количественно оценить заряды отдельных наэлектризованных тел.

Результатами опытов стали следующие постулаты, незыблемые со времени их первого опубликования:

  • Электрический заряд – это способность того или иного тела (частицы) вступать в электромагнитное силовое взаимодействие с другими телами (частицами).
  • Заряды бывают положительными и отрицательными. Во времена Ш. Кулона стройных теорий строения вещества еще не было, но в наше время нам уже понятно, что положительный заряд вызывается недостатком электронов, а отрицательный – их избытком. (Безусловно, все это – с серьезным упрощением физической природы вопроса, но сейчас нам это неважно).
  • Опытным путем было доказано, что тела с полярно противоположными зарядами притягиваются друг к другу, тела с зарядами одинаковых знаков – отталкиваются.
Носители одноименных зарядов всегда стремятся разойтись, а вот плюс с минусом обязательно показывают стремление к сближению.
Носители одноименных зарядов всегда стремятся разойтись, а вот плюс с минусом обязательно показывают стремление к сближению.
Если смотреть по силовым линиям магнитных полей, то плюс с минусом создают гармоничный замкнутый контур. А вот силовые линии одноименных полей даже никогда не пересекутся.
Если смотреть по силовым линиям магнитных полей, то плюс с минусом создают гармоничный замкнутый контур. А вот силовые линии одноименных полей даже никогда не пересекутся.
  • Заряд не является какой-то константой для конкретного объекта (тела). В отличие, например, от такой физической величины, как масса в гравитационных расчетах. Заряды при соприкосновении (или сближении, в некоторых случаях) тел могут передаваться от одного тела к другому. При этом, как и все в природе, «система» стремится к балансу – более заряженное тело отдает заряд менее заряженному, что в конечном итоге в нормальных условиях приводит к выравниванию степени заряда.

Закон Кулона описывает и количественно силу взаимного притяжения или отталкивания точечных заряженных тел – в зависимости от степени их заряда и расстояния между ними. Но в разрезе этой публикации данная формула нас не интересует.

Кстати, именно в честь «первопроходца» в вопросах взаимодействия электрически заряженных тел названа и единица измерения заряда – кулон (Кл). Интересно, что сама по себе единица появилась только в XIX веке, научные технологии позволили реально оценивать электрические заряды.

Эта единица при ее формулировке никак напрямую не связывалась с минимально возможным элементарным зарядом (одного электрона или одного протона). Одним кулоном принято считать величину заряда, протекающего через проводник (его поперечное сечение, конечно же) за одну секунду при силе тока, равной одному амперу.

Q = I × t

1 Кл = 1А × 1с

Мнение эксперта:

Афанасьев Е.В.

Главный редактор проекта Stroyday.ru. Инженер.

Задать вопрос эксперту

А элементарный заряд удалось точно измерить только лишь в 1910 году – он составляет всего лишь 1,602 176 634⋅10⁻¹⁹ Кл. То есть для обеспечения тока в 1 ампер через поперечное сечение проводника за секунду должно пройти 6 241 509 074 460 762 607,776 (кому интересно – 6 квинтильонов 241 квадрильонов 509 триллионов 74 миллиарда 460 миллионов – ну и так далее).

Потенциал и напряжение

Итак, мы выяснили, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом, и сила этого взаимодействия зависит от величины заряда. Чем он выше – тем более напряженное создаётся электромагнитное поле, и те значительнее силы притягивания или отталкивания этих тел.

Однако, закон Кулона распространяется на статичные тела, а нас все же больше интересует электродинамика, то есть направленное движение заряженных частиц, то есть, по сути – электрический ток. А само по себе понятие величины заряда никак не отвечает на вопрос – какова «скрытая энергетика» этих полей?

Для такой оценки имеется специальное понятие – электрический потенциал. Само по себе слово «potentia» в латинском языке означает силу или мощь. Вот и потенциал как раз показывает, каковы возможности электромагнитного поля (в произвольно взятой его точке) создать направленное движение зарядов с преодолением кулоновских сил притяжения или отталкивания.

Формулировок потенциала встречается несколько, но разница лишь в деталях, не затрагивая принцип.  А принцип таков:

Потенциал конкретной точки электромагнитного поля численно равен работе, расходуемой этим полем при перемещении элементарного положительного заряда из данной точки в условную бесконечность.

Мнение эксперта:

Афанасьев Е.В.

Главный редактор проекта Stroyday.ru. Инженер.

Задать вопрос эксперту

Бесконечность – звучит не вполне понятно для многих, но это имеется в виду условное место, где на перемещаемую заряженную частицу не будет действовать рассматриваемое электромагнитное поле.

Это описывается следующей формулой:

φ = А/q

где:

φ — потенциал точки электромагнитного поля;

А — работа, затрачиваемая для перемещения заряда;

q — величина этого заряда.

Для измерения потенциала имеется специальная единица, названная в честь знаменитого итальянского физика Алессандро Вольта (1745—1827), первооткрывателя законов о взаимодействии электромагнитных полей и токов. Единица эта у всех на слуху – вольт.

Если взглянуть на формулу, то видно, что потенциал в один вольт (В или V) имеет та точка поля, при перемещении из которой единичного заряда за пределы поля будет выполнена работа в один джоуль.

Если перемещение идет в направлении силы, действующей со стороны поля (например, положительный заряд удаляется из положительно заряженного поля), то сила выполняет положительную работу, и потенциал точки – тоже положительный. Если, наоборот, перемещение проходит с преодолением силы, действующей со стороны поля, то совершается отрицательная работа, и потенциал исходной точки тоже отрицателен.

Безусловно, понятие потенциала более наглядно демонстрирует картину, насколько один объект обладает большим зарядом, чем другой. Но с практической точки зрения все же удобнее говорить не о потенциале, а о разности потенциалов.

Попробуем для начала пояснить на схеме.

Перемещение заряда из точки А в точку В по различным траекториям не изменяет выполненную в итоге электромагнитным полем работу.
Перемещение заряда из точки А в точку В по различным траекториям не изменяет выполненную в итоге электромагнитным полем работу.

Допустим, в электромагнитном поле имеются две точки, X с потенциалом φ₁ и Y с потенциалом φ₂. Необходимо переместить элементарный заряд из точки X в точку Y.

По определению потенциала необходимо затратить какую-то работу А₁ на перемещение заряда из точки Х в «условную бесконечность». А затем – оттуда вернуть его в то же электромагнитное поле, но уже в точку Y, выполнив работу А₂, которая уже будет, как мы помним, иметь отрицательное значение.

То есть в сумме затраченная работа по перемещению единичного заряда, по сути, будет равна:

А₁ — А₂ = φ₁×q — φ₂×q = φ₁ — φ₂

Теперь вспоминаем, что работа – одна из базовых величин в физике, для которой характерно то, что ее значение не зависит от траектории перемещения, а только от расположения начальной и конечной точки перемещения. А это, в свою очередь, означает, что для перемещения заряда из точки X в точку Y по кратчайшей (да и вообще по любой другой) траектории будет ровно такая же работа. И определяется она разностью потенциалов.

Эта разность потенциалов измеряется также в вольтах, но ей уже присвоена свое наименование – электрическое напряжение, буквенное обозначение, как правило – U.

U = φ₁ — φ₂

Итак, электрическое напряжение между двумя отдельно взятыми точками существует всегда, кроме случаев равенства потенциалов этих точек. И эта величина наиболее наглядно показывает энергетические возможности электромагнитного взаимодействия этих точек.

В электромагнитном поле разные точки могут иметь как положительный, так и отрицательный потенциал. Как в этом случае исчисляется напряжение между ними? Нужна какая-то точка отсчета, принимаемая за ноль! Как, например, в температурной шкале Цельсия за ноль принята температура перехода воды из жидкого в твердое состояние – ноль градусов.

В электротехнике в подавляющем большинстве случаев за ноль принимают потенциал Земли (конечно, с некоторыми условностями, но не имеющими никакого прикладного значения). В некоторых разделах электрофизики ноль исчисляется несколько иначе, но, опять же, нас это сейчас нисколько не интересует.

Итак, для привычным всем нам электрических сетей нулевой потенциал имеет Земля! И точка!..

Как же подсчитывается разница потенциалов? При постоянных, не меняющихся с течением времени значениях – очень просто, обычной арифметической разницей большего с меньшим. Естественно, с учетом знака самого потенциала.

Пример можно привести такой:

Пример для подсчета напряжения (разности потенциалов) для случайно выбранных точек в электромагнитном поле.
Пример для подсчета напряжения (разности потенциалов) для случайно выбранных точек в электромагнитном поле.

Мнение эксперта:

Афанасьев Е.В.

Главный редактор проекта Stroyday.ru. Инженер.

Задать вопрос эксперту

Расположение точек показано просто по принципу диаграммы – от минимума к максимуму по высоте, для наглядности. То есть точка А вовсе не лежит на поверхности земли, а точки с отрицательным потенциалом не находятся ниже, под этой поверхностью.  На деле пространственное положение точек может быть совершенно иным – это зависит от особенностей конкретного электромагнитного поля. И это положение никак напрямую не влияет ни на потенциал точек, ни на конечный результат вычисления напряжения.

Итак, произвольно выбрано несколько точек в одном электромагнитном поле:

  1. А с потенциалом φ₁, равным нулю.
  2. Б с потенциалом φ₂ = 34 вольта (В)
  3. В с потенциалом φ₃ = 53 В
  4. Г с потенциалом φ₄ = — 9 В
  5. Д с потенциалом φ₅ = — 22 В

Считаем напряжение:

  • Между точками А и Б:

Uаб = φ₂ — φ₁ = 34 – 0 = 34 В

  • Между точками А и В:

Uав = φ₃ — φ₁ = 53 – 0 = 53 В

  • Между точками А и Г:

Uаг = φ₁ — φ₄ = 0 – (-9) = 0 + 9 = 9 В

  • Между точками А и Д:

Uад = φ₁ — φ₅ = 0 – (-22) = 0 + 22 = 22 В

  • Между точками Б и В:

Uбв = φ₃ — φ₂ = 53 – 34 = 19 В

  • Между точками Б и Г:

Uбг = φ₂ — φ₄ = 34 – (-9) = 34 + 9 = 43 В

  • Между точками Б и Д:

Uбд = φ₂ — φ₅ = 34 – (-22) = 34 + 22 = 56 В

  • Между точками В и Г:

Uвг = φ₃ — φ₄ = 53 – (-9) = 53 + 9 = 62 В

  • Между точками В и Д:

Uвд = φ₃ — φ₅ = 53 – (-22) = 53 + 22 = 75 В

  • Между точками Г и Д:

Uгд = φ₄ — φ₅ = -9 – (-22) = -9 + 22 = 13 В

Итого – десять различных вариантов, со всеми возможными сочетаниями полярности потенциала.

Напряжение является одной из ключевых характеристик электрических цепей. И кстати, пожалуй, самой знакомой рядовому потребителю, даже совсем мало разбирающемуся в электрике. Во всяком случае, элементы питания (батарейки) в большинстве случаев подбирают именно по напряжению (что не всегда правильно). Да и то, что в домашней сети напряжение 220 вольт – у всех, наверняка, на слуху.

Для измерения разности потенциалов (напряжения) между двумя точками электрической цепи используются специальные приборы – вольтметры.
Для измерения разности потенциалов (напряжения) между двумя точками электрической цепи используются специальные приборы – вольтметры.

Если между двумя точками имеется разность потенциалов (напряжение), и созданы условия для проводимости (имеется металлический проводник или иная токопроводящая среда), то от точки с большим потенциалом к точке с меньшим пойдет электрический ток. Простейший пример – подключение к батарейке с каким-то номинальным напряжением на контактах некоей электрической замкнутой цепи, в которой присутствует нагрузка, способная выполнять ту или иную полезную функцию. Что каждый из нас делает по многу раз за день, например, включая свой телефон, фонарик, брелок сигнализации автомобиля и т.п. – примеров не счесть.

Электрический ток, постоянный и переменный

Итак, если между двумя точками с различным потенциалом (то есть при наличии напряжения между ними) установить проводимость (замкнуть цепь), то по этой цепи пойдет поток заряженных частиц от большего потенциала к меньшему. Это, по сути, и есть электрический ток, способный выполнять какую-то полезную работу – осуществлять нагрев, вызывать свечение, приводить в действие механические приводы и т.п.

Чем больше разница потенциалов – тем сильнее будет ток. Это можно для наглядности сравнить с потоком воды – ее течение обусловлено гравитационными силами, то есть поток всегда идет с более высокой точки к более низкой. Но если, скажем, в реке на отдельно взятом участке перевод высот небольшой – то наблюдается спокойное течение. Но та же вода в той же реке, перегороженной плотиной с серьёзным перепадом высоты – это уже бурный поток, способный приводить в движение колеса водяной мельницы или даже мощные турбины генераторов ГЭС.

Ток может быть постоянным и переменным.

Постоянный ток

Начнём с того, что попроще —  с постоянного. У такого тока направление движения и величина неизменны. Стало быть, то же самое можно сказать и о разности потенциалов (напряжении) между начальными точками рассматриваемой электрической цепи.

Простейшие примеры цепи постоянного тока – фонарик, работающий от одной или нескольких последовательно соединенных батареек.

Простейшая схема цепи постоянного тока – лампочка электрического фонарика зажигается от батарейки
Простейшая схема цепи постоянного тока – лампочка электрического фонарика зажигается от батарейки

1 — источник питания, например, батарея из трех элементов по 1.5 вольт. Именно между крайними контактами батареи создаётся постоянное напряжение, вызывающее ток в цепи.

2 — электрическая цепь – проводники (провода или металлические дорожки на печатной плате).

3 — кнопка замыкания цепи (включения фонарика).

4 — лампочка накаливания.

При замыкании собранной цепи в направлении от плюса к минусу начинает идти электрический ток, выполняющий в каком-то конкретном приборе ту или иную задуманную полезную работу. В данном случае – это преобразование электрической энергии в тепловую и световую за счет сильного разогрева вольфрамовой спирали лампы.

Пытливый читатель, пока еще не до конца знакомый с азами электротехники, возможно, постарается поймать автора на противоречии. А именно – раз переносчиками зарядов в металлическом проводнике являются электроны, имеющие отрицательный заряд, они должны двигаться не от плюса к минусу, а ровно наоборот?!

Это действительно так. Но следует правильно понимать, что первые шаги в электрике ученые делали в ту пору, когда об атомном строении веществ и об электроне, в частности, еще не было представления. Просто имелись два противоположных заряда, один из которых условно назвали «плюс», второй – «минус». И считалось, что ток идет именно таким путем. Так удобнее представлять – от большего к меньшему, особенно если опять же сравнивать течение тока с гидравликой, с течением воды – сверху вниз. 

В металлических проводниках отрицательно заряженные электроны движутся к плюсовому полюсу цепи, но направление тока принимается всегда от «плюса» к «минусу».

Когда же с носителями зарядов уже появилась ясность, поняли, что поток электронов действительно идет в противоположном направлении. Однако, на процесс переноса энергии, на расчеты электрических схем — это абсолютно не влияет (за некоторыми исключениями, имеющими, скорее, научный, лабораторный, а не прикладной интерес). Поэтому и решили ничего не менять – считается, что ток всегда идет от большего потенциала к меньшему, а не наоборот.

Итак, постоянный ток проще, наверное, в понимании, расчетах схем и регулировках. Он чрезвычайно широко используется в самом разнообразном оборудовании и схемах каких-то очень многих устройств бытового назначения. Но вот его получение, так сказать, в промышленных масштабах – задача трудновыполнимая, а передача на значительные расстояния сопряжена с огромными потерями мощности. Поэтому-то, именно из-за проблем генерации электроэнергии и ее транспортировки, мы чаще встречаемся в повседневной жизни с переменным током.

И напоследок про постоянный ток – в таких цепях нет ни фазы, ни нуля. Только положительный и отрицательный «полюса» в цепи или на ее конкретном участке.

Ну а для «выяснения отношений» с переменным током лучше выделить отдельный раздел публикации.

Знакомый всем, но для многих остающийся загадочным переменный ток

Что это такое – переменный ток?

Итак, в повседневной жизни всем нам приходится чаще иметь дело с переменным током. Именно такой подается нам в дома и квартиры, и  подавляющее большинство домашних приборов мы подключаем в розетки именно к сети переменного тока напряжением, вызывающегося напряжением 220 вольт.

Каждый раз, вставляя вилку шнура питания в розетку, мы подключаем электроприбор к сети переменного тока
Каждый раз, вставляя вилку шнура питания в розетку, мы подключаем электроприбор к сети переменного тока

Почему ток называется переменным?

Дело в том, что, в отличие от постоянного, величина переменного тока и его направление периодически изменяются, то есть через определенный временной отрезок. Этот отрезок и называется периодом: после его завершения цикл повторяется – и так далее до тех пор, пока замкнута цепь.

Существует немало разновидностей переменного тока. Но нас интересует сейчас только тот, что мы используем повседневно. Так вот – этот ток в графическом изображении имеет синусоидальную форму, он меняется каждое мгновение, но эти изменения повторяются через равные промежутки времени.

  Графическое отличие постоянного тока показан красным цветом) от переменного (зеленая линия)
Графическое отличие постоянного тока показан красным цветом) от переменного (зеленая линия)

Раз речь идет о синусоиде, то, надо полагать, она должна характеризоваться какими-то особыми параметрами. Так оно и есть.

Внимание на следующую иллюстрацию.

Основные параметры переменного синусоидального тока
Основные параметры переменного синусоидального тока

Итак, в исходной точке ток равен нулю. Затем за время, равное ¼ периода (Т), ток достигает своего положительного максимума Im (это значение называется амплитудой). На «временной отсечке», равной половине периода (½Т) ток падает и достигает вновь нулевой отметки. Следующая четверть периода, до ¾Т, уходит на достижения амплитудного значения, но с отрицательным знаком. И далее следует подъем до нулевого значения, которое по времени приходится точно на полный период.

В сетях энергоснабжения, которые используем мы, полный период занимает 0,02 (или 1/50) секунды. Для оценки этого параметра удобнее пользоваться обратной величиной – частотой, измеряемой в специальных единицах – герцах. Если говорят, что в электросети частота переменного тока – 50 герц, то значит в течение секунды выполняется 50 полных периодов колебания тока.

Таким образом, при течении переменного тока не осуществляется «массовая переброска» электронов на большое расстояние – они меняют свое направление 100 раз в секунду, и этот перенос энергии (без сопоставимого переноса материи) позволяет избегать сильных потерь при передаче на большие расстояния.

Несведущему человеку может показаться – боже, какие сложности! Не проще ли вырабатывать постоянное напряжение безо всяких затей? Да нет, как раз – ровно наоборот…

Для выработки постоянного напряжения чаще всего используется электрохимическая технология. Она, да, позволяет получать стабильное постоянное напряжение на полюсах, например, батарейки или аккумулятора. То есть в локальных системах энергообеспечения часто бывает незаменима. Но в сколь-нибудь серьезных промышленных масштабах – будет крайне убыточна по всем показателям.

А вот для получения переменного тока будет достаточно вращения металлической рамки в поле постоянного магнита. Не будет сейчас расписывать весь этот физический процесс, но это так – если замкнутая рамка при вращении пересекает силовые линии какого-то магнитного поля, то в ней вырабатывается электродвижущая сила, вызывающая именно синусоидальный переменный ток.

Генерация переменного тока – вращение рамки в поле неподвижного магнита (слева) или магнита относительно двух стационарных обмоток (справа). Результат тот же…
Генерация переменного тока – вращение рамки в поле неподвижного магнита (слева) или магнита относительно двух стационарных обмоток (справа). Результат тот же…

Все очень наглядно – вращающаяся рамка занимает различное положение во времени относительно силовых линий          магнитного поля, поэтому и меняется с максимума до минимума в положительную и отрицательную сторону и генерируемый ток.

Эта анимированная картинка хорошо показывает процесс генерации переменного тока
Эта анимированная картинка хорошо показывает процесс генерации переменного тока

Именно вот таким принципом, то есть «вращением рамки в магнитном поле» и добывается подавляющее большинство электроэнергии в мире (химические и солнечные технологии пока значительно уступают). Все различие – только в создании крутящего момента: паровые турбины тепловых станций, гидротурбины, использующие силу падающей воды, ветряки и т.п. Даже на АЭС происходит вовсе не получение электроэнергии «напрямую из ядра», как некоторые полагают — колоссальное тепло, выделяемое при управляемой ядерной реакции, опять же используется для нагрева воды, преобразования ее в пар — для вращения турбин, приводящих в движения мощные генераторы.

*  *  *  *  *  *  *

С током разобрались. Но нам ведь уже известно из рассказанного выше, что ток возникает только при наличии напряжения. Как с этим вопросом?

Переменное напряжение

Само по себе понятие напряжения неразрывно связано с понятием электродвижущей силы. Если взять все ту же аналогию с водой, то разница высот, да, определяет и разницу потенциалов. Но если рассматривать какую-то замкнутую водяную систему, то для создания этой разницы гравитационных потенциалов какой-то объем воды необходимо для начала поднять наверх…

Вот и с электрическим током похожая картина – само по себе напряжение на контактах источника не возьмётся – задействуются электрохимические или электромагнитные процессы преобразования энергии. В разрезе подачи переменного бытового тока речь идет (если считать от начальной точки) — об электростанциях, преобразующих вращательное движение роторов генераторов в ЭДС, обеспечивающую требуемое стабильное по номиналу напряжение и, стало быть, электрический ток.

Понятие ЭДС в большей мере относится к разделу электроэнергетики. С потребительской стороны нас больше волнует именно вопрос напряжения.

А оно в точности по форме синусоиды и периоду своего изменения соответствует уже рассмотренному переменному току, отличаясь амплитудой. Естественно, значение напряжения всегда (в обычных условиях эксплуатации любой электротехники на бытовом уровне) выше значения силы тока. Объясняется просто – законом Ома для цепей переменного и постоянного тока, где сила тока находится в зависимости от напряжения на входе в цепь (участок цепи) и от сопротивления этой цепи (участка).

I = U/R

I — сила тока, ампер;

U — напряжение на входе в цепь (участок цепи), вольт;

R — электрическое сопротивление этой цепи (участка, ом.

В любых нормальных (не лабораторных) условиях сопротивление на участке сети переменного тока не может быть менее 1 ома, стало быть, и сила тока по своей амплитуде всегда несколько «проигрывает» максимальным значениям напряжения.

Из-за наличия обязательного сопротивления любой электрической цепи, график силы тока в цепи всегда располагается ниже графика напряжения по абсолютному значению.
Из-за наличия обязательного сопротивления любой электрической цепи, график силы тока в цепи всегда располагается ниже графика напряжения по абсолютному значению.

Какое же напряжение должно быть в бытовой сети переменного тока?

Наверное, все слышали про 220 вольт, и это действительно в большинстве случаев так. Об этом прямо говорит ГОСТ 32144-2013, служащий для формулировки основных параметров качества поставляемой потребителям электрической энергии.

Тем не менее, одновременно действует и другой ГОСТ — 29322-2014, разработанный для гармонизации с международными стандартами. И в нем уже речь ведется об однофазном напряжении в 230 вольт.

Два ГОСТ, опубликованных с разницей по времени всего в один год, на первый взгляд - противоречат друг другу…
Два ГОСТ, опубликованных с разницей по времени всего в один год, на первый взгляд — противоречат друг другу…

Казалось бы – явное противоречие. Но оно объяснимо…

Дело в том, что международный стандарт в 230 вольт можно, наверное, воспринимать, как некий «задел на будущее» — к такому параметру постепенно будут приближаться все отечественные сети. Но это требует значительного времени и немалых затрат – под стандарт должны быть подведены и возможности электростанций, и линии электропередач (а они в некоторых регионах пока довольно изношенные и требуют модернизации), и трансформаторное оборудование подстанций. То есть только введением ГОСТа мгновенно проблему никак не решить.

Именно поэтому в указанном ГОСТ 29322-2014, если вдуматься, пока не возбраняется использовать и 220 вольт.   Откуда это видно?

В обоих документах указано допустимое отклонение напряжения от стандартного в ±10%. То есть для 220 вольт «рамки дозволенного» — от 198 до 242 В. Для стандарта 230 вольт, соответственно — от 207 до 253 В.

Но в ГОСТ 29322-2014 допустимое наименьшее используемое напряжение указано 198 В, что, как мы видели, соответствует норме в 220 В. То есть действующий ГОСТ, с указанием стандарта в 230 вольт, все же дает возможность «работать по старинке» тем энергоснабжающим организациям, что еще пока по тем или иным причинам не сумели провести модернизацию своего оборудования. Но – с поставленной целью перехода все же на международный стандарт в 230 вольт.

Кстати, в паспортах современной бытовой техники часто так и указывается – номинальное напряжение 220-230 (нередко даже 220-240) вольт. То есть прибор работает при любых пока действующих стандартах напряжения.

Типичная картина – для современной бытовой техники указываются и 220, и 230 вольт.
Типичная картина – для современной бытовой техники указываются и 220, и 230 вольт.

Чтобы закончил с номинальным значением напряжения – поясним еще один немаловажный нюанс. Когда говорят про 220 вольт, это вовсе не означит, что такого показателя достигает напряжение на амплитудном пике синусоиды (как положительном, так и отрицательном). На деле в этих точках значение напряжения довольно значительно выше. А указанный номинал – это так называемое рабочее напряжение, равное среднеквадратичному значению.

Поясним несколько понятнее – номинальное рабочее переменное напряжение в 220 вольт взято по аналогии с постоянным током. А еще точнее – по величине работы, что может быть выполнена постоянным током в 220 вольт.  А так амплитуда больше рабочее напряжения на  1.4142 (это квадратный корень из двойки).

То есть если мы говорим про рабочее номинальное напряжение в 220 вольт, на самом деле пиковые показатели потенциала достигают 220 × 1,4142 = 311 вольт с положительным или отрицательным знаком.

А как же тогда производятся измерения с помощью вольтметра? Можно ли верить его показаниям?

На самом деле вольтметр показывает именно среднеквадратичное (рабочее) значение напряжения. Дело в том, что в таких измерительных приборах переменного тока (или при переключении мультитестера в режим АС, что обязательно), задействует специальная схема, преобразующая амплитудное значение синусоиды в рабочий показатель напряжения.

В режиме измерения переменного напряжения в вольтметрах и мультиметрах работает специальный преобразователь, выводящий на индикацию именно рабочее среднеквадратичное значение. 
В режиме измерения переменного напряжения в вольтметрах и мультиметрах работает специальный преобразователь, выводящий на индикацию именно рабочее среднеквадратичное значение.

В разных типах приборов такое трансформация значений выполняется тоже по-разному. В электромеханических вольтметрах это выпрямительный преобразователь. В современных цифровых – этим занимается специальная микросхема, реализующая арифметические функции возведения полученного значения в квадрат и определения итогового, высвечивающегося на дисплее результата. И то и другое – дает весьма точный результат, а про наличие амплитудных показателей в 311 вольт многие пользователи даже не предполагают.

В дальнейшем по ходу изложения для более привычной для всех формы будем говорить «по старинке» — о 220 вольтах переменного тока.

Так что ж это такое – фаза и ноль в электрике?

Подходим к самому главному.

Как мы помним, само по себе понятие напряжения предполагает разницу потенциалов. Значит, обязательно должно быть две «точки отсчета». А для возникновения тока обязательное условие – наличие замкнутой цепи.

В наше жилище (частный дом или квартиру) в большинстве случаев заходят два рабочих проводника – фаза (обычно на схемах обозначается буквой L) и ноль (N).

(Про третий провод, также обычно присутствующий на вводе, пока не говорим – он не относится к, так сказать, к «рабочим», и выполняет иные функции — обеспечения безопасности эксплуатации электроустановок и приборов).

  • Итак, фаза – это тот провод, по которому и поступает электрический переменный синусоидальный потенциал. Иными словами, по фазе ток приходит к потребляющему его устройству.
  • Ноль (или нейтраль) – проводник с нулевым потенциалом, относительно которого как раз и образуется то самое напряжение в 220 вольт.

А почему есть уверенность, что на «нуле» N потенциал действительно равен нулю? Помните, выше говорилось, что нулевым потенциалом обладает земля? Так вот, и ноль в той сети переменного тока, что мы используем, как раз и связан непосредственно с землей. Причем – это не фигуральное выражение, а вполне конкретное. Это соединение с землей, безусловно, выполняется не дома, а в определённом месте на подающей линии т определенным образом – зависит от технологии (системы) передачи электроэнергии, которых существует несколько.

Простейшее изображение однофазной сети переменного тока.
Простейшее изображение однофазной сети переменного тока.

В любом случае нулевой провод в разомкнутой цепи электрического потенциала не несет, и при прикосновении к нему опасности не представляет.

Иное дело – фаза. Потенциал на ней присутствует всегда, и напряжение относительно поверхности земли – довольно коварная штука. Человек, стоящий на земле, при прикосновении к оголённому фазному проводу тем самым замыкает цепь. Человеческое тело обладает довольно высокой проводимостью, и через него пойдет ток, опасный для здоровья и даже жизни. При этом и материалы, из которых изготавливают обувь, могут оказаться токопроводящими, и большинство строительных неметаллических материалов  хоть и имеют довольно высокое сопротивление, но тоже могут проводить ток. А уж одновременный контакт с фазой и каким-то металлическим заземленным предметом (например, водопроводными трубами) может закончиться очень печально.

Вот тут, уместно, наверное, сразу упомянуть и о третьем проводе, по современным стандартам входящем в «комплект ввода» однофазной сети в дом или квартиру. Это – заземление или защитный ноль (на схемах обозначается как РЕ). Такой проводник не участвует в подаче электрического тока и не связан никак с рабочими электрическими схемами подключаемого к сети оборудования.

Понятно, что если РЕ-проводник тоже заземлен, то между ним и фазой присутствует напряжение. Но он обычно соединяется с металлическими корпусами приборов – чтобы в случае пробоя фазы увести опасный ток в землю.

Кабель, используемый для прокладки проводки однофазной сети переменного тока – три проводника: фаза (L), ноль (N) и защитное заземление (РЕ).
Кабель, используемый для прокладки проводки однофазной сети переменного тока – три проводника: фаза (L), ноль (N) и защитное заземление (РЕ).

Про заземление – отдельный разговор, так как здесь масса нюансов, в том числе касающихся его «родства» и различия с нулем.

Не забываем о важности заземления!

Защита от чрезвычайных ситуаций, связанных с эксплуатацией электрической домашней сети – чрезвычайно важная задача. Одна из статей нашего портала подробно рассказывает о главной заземляющей шине во вводном распределительном щите. Другая – о возможности самостоятельного создания системы эффективного заземления, если его в вашем доме до сих пор по каким-то причинам не было.

Вкратце – о трехфазных переменных сетях

Напряжение в 220 вольт, при всех своих достоинствах, все же неспособно переносить большие по современным меркам мощности. Для использования в локальных масштабах (квартира, небольшой дом) – да, вполне,.. хотя бывает и так, что даже не хватает. Но для передачи на большие расстояния и для подключения мощной аппаратуры – недостаточно.

Выход был найден в одновременном генерировании трех ЭДС, вызывающих переменный ток в трех линиях (фазах), одинаковый по амплитуде и частоте, но со смещением фазы на 120 градусов (на 1/3 цикла).

Три равные по форме синусоиды генерируются со смещением по фазе на одну треть периода.  
Три равные по форме синусоиды генерируются со смещением по фазе на одну треть периода.

Преимуществ у трехфазного тока над однофазным – очень много. Вот только некоторые из них:

  • Экономичность и в генерации, и в преобразовании, и в передаче на большие расстояния, и в материалоемкости, так как можно использовать проводники меньшего сечения — при равной нагрузке токи существенно ниже в сравнении с однофазными системами.
  • Высокая сбалансированность системы.
  • Простота преобразования трехфазного тока в механическую энергию – асинхронные трехфазные двигатели и проще по конструкции, и надежнее и, естественно, мощнее однофазных.
  • Система позволяет получать при необходимости и однофазные и трехфазные сети энергообеспечения.
Приятно осознавать, что именно российский ученый, Михаил Осипович Доливо-Добровольский еще в XIX веке своими расчетами, опытами, многочисленными изобретениями и теоретически обосновал, и практически доказал преимущества системы трёхфазной передачи электроэнергии.
Приятно осознавать, что именно российский ученый, Михаил Осипович Доливо-Добровольский еще в XIX веке своими расчетами, опытами, многочисленными изобретениями и теоретически обосновал, и практически доказал преимущества системы трёхфазной передачи электроэнергии.

На практике, конечно, трехфазные линии электропередач на начальных участков от электростанций работают с десяткми тысяч вольт, но по мере «приближения к потребителю» происходит постепенная понижающая трансформация напряжения. На конечной трансформаторной подстанции (ТП) параметры доводятся до «потребительских стандартов» и разводятся по абонентам.

Можно для наглядности предложить вот такую схему

Схема трехфазной линии электропередачи от трансформаторной подстанции до потребителя.
Схема трехфазной линии электропередачи от трансформаторной подстанции до потребителя.

Итак, слева показаны обмотки трансформатора, расположенные звездой, с общим центром, от которого расходятся векторы ЭДС. В центре, кстати – нулевой потенциал.

Далее – идут три линии, три фазы, которые обычно принято называть первыми буквами латинского алфавита – А, В и С. По этим линиям при включении в цепь нагрузки (она для каждой линии показана отдельно справа – Ra, Rb и Rc) протекает переменный синусоидальный ток. Все нагрузки также соединены в одной точке, и это – ноль, соединенный с нулем трансформаторной подстанции.

Напряжения между любой из фаз и нулем – уже знакомые нам 220 вольт (Ua, Ub, Uc). Это так называемые фазные напряжения.

Напряжения между двумя фазами (неважно какими, Uab, Uac, Ubc) называется линейным, и оно составляет 380 вольт.

Казалось бы, 220 + 220 должно дать больше, 44о вольт? Однако, векторы ЭДС находятся под углом 120 градусов, то есть при построении суммирующего вектора «включается тригонометрия», и получается, что линейное напряжение равно фазному, умноженному на 1,73 (квадратный корень из трех).

220 ×√3 = 220 × 1,73 ≈ 381 вольт.

Линейное напряжение очень широко используется в промышленности, но и на бытовом уровне его можно встретить – например, некоторые электроплиты в квартира, насосное оборудование, станки в домашней мастерской и т.п. Но все же чаще после заведения трёхфазной линии, например, в подъезд многоэтажного дома производится максимально равномерное распределение фаз и общего нуля по квартирам, чтобы не возникало сильной разницы в предполагаемой нагрузке. В итоге в квартиру входит, как мы уже говорили выше, фаза и ноль, ну и плюс обязательный по современным правилам заземляющий проводник РЕ.

Аналогично и на улице с частными домами – по ней проходит трехфазная линия электропередач, но в каждый дом подается одна из фаз и ноль, также с максимально равномерным распределением фаз по абонентам.

Ввод в частный дом трехфазной линии чаще всего решается в индивидуальном порядке, с обоснованием и проверкой возможности такого подключения.

Выше уже говорилось про достоинство трехфазной сети – ее сбалансированность. По сути, если добиться полной симметрии нагрузки на всех трех фазах, тока по нулевому проводу вообще не будет! Вряд ли это достижимо в приложении к энергообеспечению жилого сектора, но, во всяком случае, большого тока в нулевом проводе на участке от потребителей к трансформаторной подстанции все равно не ожидается.

Как отличить фазу от нуля в домашней электросети

В повседневной жизни вполне могут складываться ситуации, в которых владельцу жилья потребуется правильно определить, где же у него в проводке фаза, а где – ноль. Существует несколько способов – от простейших, в виде цветовой маркировки (увы, бывает не всегда достоверно) и недорогой индикаторной отвёртки – до применения более сложных приборов или самодельных «тестеров»

Но так как на страницах нашего портала уже имеется публикации, где очень подробно изложены все эти методы, с комментариями специалистов, повторяться смысла нет.

Поиск фазы и нуля – чем и как?

Задача не особо сложная, но требующая повышенной аккуратности и соблюдения правил предосторожности. Как, впрочем, и всё в электрике! Как определить ноль и фазу различными способами – читайте в специальной статье нашего портала.

*  *  *  *  *  *  *

И завершим публикацию видеосюжетом, который, надо полагать, закрепит полученные знания и, возможно, даст толчок к дальнейшему саморазвитию в области электротехники.

Видео: Базовые понятия о домашней электрической сети – ноль и фаза.

 

 

 

 

Понравилась статья?
Сохраните, чтобы не потерять!

Оцените:
  1. 5
  2. 4
  3. 3
  4. 2
  5. 1
5

Добавить комментарий