Представьте, вы с ребенком собрались просмотреть мультфильм или познавательную передачу, улеглись на диван и вдруг ваше чадо спрашивает: «А от чего работает телевизор/телефон/планшет?» Вроде бы ответ простой — от электричества, но не нужно быть Нострадамусом, чтобы предугадать следующий вопрос, который поступит от ребенка: «А откуда берется электричество?» И здесь у многих родителей наступает ступор, в особенности у тех, кто не заканчивал физмат, и их профессия никоим образом не связана с этим направлением.
Конечно, можно ответить так же просто, как и на предыдущий вопрос: «Электричество берется из розетки». Но чтобы ваш ребенок получил полный и раскрытый ответ, причем доступным и понятным языком, без заумных формул и определений, которыми написана большая часть учебников по физике, мы предлагаем задержаться на этой странице и прочитать, возможно, не новую, но полезную и познавательную информацию.
Что такое электричество?
Само слово «электричество», а точнее, «электрическая» сила появилось более 2000 лет назад в Древней Греции. Люди заметили, что если потереть янтарь о шерсть, то камень начинает притягивать к себе различные предметы небольшого размера. Янтарь на древнегреческом языке именовался «электроном», отсюда и произошло само название.
Но дальше простых экспериментов со статическим электричеством у Древних Греков изучение загадочного феномена не продвинулось. А раскрывать сущность всего явления стали намного позже. Ученые выяснили, что окружающие предметы состоят из элементарных частиц: протонов и электронов. Эти два вида частичек имеют электрический заряд: у электрона он отрицательный, а вот у протона — положительный. Притягиваясь друг к другу, они тесно взаимодействуют и в зависимости от количества протонов и электронов образуют атомы разных материй.
Сами протоны располагаются в ядре атома, а вот электроны вращаются возле них по кругу. Атомы с количеством протонов равным числу электронов имеют нулевой заряд. Например, если камень янтаря лежит сам по себе, и его никто не трогает, то его атомы также имеют нулевой заряд. Но стоит потереть атомы янтаря об атомы шерсти, как электроны из шерсти мигом переберутся на янтарные, и их «переизбыток» сделает заряд отрицательным. Такой камушек с «новой силой» и начинает притягивать к себе мелкие предметы с нулевым или положительным зарядом, а если у предмета будет отрицательный заряд — он их оттолкнет.
Детям об электричестве
Детям об электричестве
Электричество похоже на множество маленьких сердитых пчелок, которые бегают по проводам и заставляют приборы работать. Увидеть их невозможно, не стоит и пытаться. Игры с током всегда плохо заканчиваются — электричеством может сильно ударить, обжечь, а то и убить. Не зря каждый родитель объясняет, что электрический ток — это очень опасно. Так что от розеток и проводов лучше держаться подальше.
Повелевают электричеством только специально обученные люди — электрики. Они, словно волшебники, соединяют провода в большую паутину, устанавливают переключатели, рубильники и розетки. Или, как говорят в умных книжках, производят электромонтажные работы. Электричество может быть разной силы и напряжения. В розетке напряжение составляет 220 Вольт, что очень опасно для жизни человека. А вот в батарейках оно маленькое, всего от 1,5 до 9 Вольт, поэтому человеком практически не чувствуется. Каждый электроприбор, будь то лампочка, игрушка или телевизор, рассчитан на определенное напряжение. Если электричество обладает маленьким напряжением, прибор может не заработать. Если же значение его большое — может испортиться или даже загореться. Поэтому не стоит, например, пытаться подключить к часам или игрушке 9-вольтовую батарейку. Скорее всего, она больше никогда не заработает. И уж, конечно, никаких опытов нельзя производить с электрической розеткой или проводами. Нельзя, к примеру, резать провод или слишком его перекручивать — может случиться короткое замыкание, взрыв и пожар.
Получают электричество на специальных станциях. Оно может возникать из солнечной энергии, падающей воды, специальных устройств — генераторов, либо получаться при возникновении какой-либо химической реакции. Например, если к лимону присоединить два электрода — цинковый и медный, можно добыть электричество, достаточное для питания небольших часов. Подобная же схема получения электричества используется в батарейках и аккумуляторах. Также электричество может получаться при трении пластмассовой палочки о шерстяную поверхность. Именно так оно и было открыто, правда, первые ученые вместо пластмассы использовали янтарь.
Электричество человек использует везде, на нем работают абсолютно все современные приборы. Поэтому профессия электрика всегда остается почетной и необычайно востребованной. Впервые с электричеством дети знакомятся в школе, на уроках физики, где им рассказывают почти все тайны этого уникального, но вместе с тем опасного явления.
Электрический ток — организованный отряд электронов
Но каким образом электричество живет в розетке, если все настолько рассеянно в этой схеме?
Почти все атомы могут терять и хватать электроны. Так, если у одних их будет избыток, а у других —недостаток, то направляемые электрическими силами электроны устремятся туда, где их не хватает. Вот этот поток и называется электрическим током.
Среди привычных нам понятий электрический ток похож на реку, которая, разливаясь на множество ответвлений, питает электроприборы. Но перед тем, как направить этот поток отрицательно заряженных частиц, их нужно откуда-то взять?
Над этим вопросом бились лучшие умы прошлого тысячелетия, но первым смог сделать прорыв итальянский ученый — Алессандро Вольта, который в 1800 году изобрел первую батарею, получившую название «Вольтов столб», тем самым подарив миру надежный источник постоянной электроэнергии. В благодарность за такое открытие фамилия ученого была увековечена, и с того времени напряжение тока измеряется в вольтах.
Откуда берется электричество?
Несмотря на то, что «Вольтов столб» и совершил прорыв в науке того времени, за последующие 200 лет была сделана уйма более глобальных открытий и выявлено множество способов добывать электрический ток, для которых построены огромные сооружения и используются новейшие технологии! А теперь по порядку.
ТЭС — тепловая электростанция
Для выработки тока на ТЭС установлен турбоэлектрогенератор, состоящий из:
- неподвижной части — статора в виде двухполярного магнита;
- вращающегося ротора, который обмотан медной проволокой, так как этот металл считается наилучшим и наиболее доступным проводником.
Беспрерывное вращение магнита постоянно меняет полярность (полюса) отчего электроны в проволоке приходят в движение, как в примере с янтарем и шерстью, только в больших масштабах. Но чтобы весь этот механизм работал и вырабатывалось электричество, «что-то» должно крутить огромную турбину. Для этой цели на ТЭС установлены огромные котлы, которые нагревают воду до 450 ℃, отчего она превращается в пар. Далее под высоким давлением пар поступает из котла на лопасти, закрепленные к ротору, и запускает его в работу с невероятной скоростью — 3000 оборотов в минуту!
АЭС — атомная электростанция
Здесь так же, как и в ТЭС, установлен турбоэлектрогенератор, но вот за нагрев воды отвечает очень опасный, но энергоэффективный Уран-235. Чтобы он выделил тепло, на АЭС построены огромные ядерные реакторы, в которых Уран-235 распадается на мелкие частички, отчего и вырабатывается большое количество энергии, используемой для нагрева воды до состояния пара и запуска турбоэлектрогенератора.
ГЭС — гидроэлектростанция
Более безопасный, но не менее эффективный способ получения энергии. Хотя для него и потребуется соорудить целую цепь гидротехнических сооружений, чтобы создать необходимый напор воды для обеспечения работы турбин электрогенератора. А далее принцип, как и в предыдущих двух электростанциях: крутится ротор и вырабатывается электричество.
Ветряные станции
Выглядят они величественно и красиво, да и с помощью силы ветра еще в древности запускали в работу огромные механизмы, такие как ветряные мельницы.
В современном мире решили усовершенствовать этот механизм и использовать для преобразования механической энергии в электрическую. Принцип следующий: ветер толкает огромные лопасти, которые запускают в работу ротор генератора, а он уже, как мы знаем на примере первых трех электростанций, и вырабатывает ток.
Но таким способом при помощи одного ветрогенератора не обеспечишь электричеством даже небольшой городок, поэтому и устанавливается целая сеть огромных механизмов, состоящая из 100 и более единиц.
Что такое электричество и откуда оно берется
О чем думают, когда слышат слово «электричество» или «электрический»? На ум приходят розетки, линии электропередач, трансформаторы или сварочные аппараты, молния, батарейки и зарядные устройства. Безусловно, электричества в современной цивилизации очень много. Кроме того, оно есть в природе. Но что мы о нем знаем?
Электричеством называют процесс движения заряженных частиц под воздействием электромагнитного поля:
- в одном направлении (постоянный ток);
- с периодическими сменами направления (переменный ток).
Термин имеет греческое происхождение, а «электрон» означает ‘янтарь’. Первым его использовал древнегреческий философ Фалес.
Когда вставляем вилку в розетку, включаем электрочайник или нажимаем выключатель, между источником и приемником электричества замыкается электрическая цепь, благодаря чему электрический заряд получает путь для движения, например, по спирали чайника. Описать процесс можно так:
- Источник электричества — розетка.
- Электрическим током называем электрический заряд, который двигается через проводник (например, спираль чайника).
- Проводник соединяет розетку с потребителем двумя проводами: по одному из них заряд движется к потребителю, а по второму — к розетке.
- В случае переменного тока провода по 50 раз в секунду меняются ролями.
Источник энергии для движения зарядов (то есть, источник электричества) в городах — это электростанции. На них происходит выработка электричества с помощью мощных генераторов, ротор которых приводит во вращение ядерная установка или силовая установка (например, гидротурбина).
Линии электропередач: Freepick
Трансформаторы электростанций подают сверхвысокое переменное напряжение величиной 110, 220 или 500 киловольт на высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Достигнув понижающих подстанций, оно снижается до уровня бытовой сети — 220 вольт. Это напряжение в наших розетках, которое используем каждый день, не задумываясь о длине того пути, которое оно проходит.
Можно ли накопить электричество для бытовых целей? Да, и мы этим тоже пользуемся. В этом помогает преобразование в химическую энергию, а именно в аккумуляторы. Химические реакции между электродами (веществами и растворами, которые проводят ток) создают ток при замкнутой на потребителя внешней цепи. Чем больше площадь электродов, тем больше тока можно получить.
Используя разный материал электродов и количество соединенных в аккумуляторе ячеек, можно генерировать разное напряжение. Например, в литий-ионном аккумуляторе стандартное напряжение для одной ячейки составляет 3,7 вольта. Работает он так:
- Ионы лития с положительными зарядами во время разряда движутся в электролите от анода (положительного электрода) из меди и графита к катоду (отрицательному электроду) из алюминия.
- Во время заряда происходит обратное движение, и образуются соединения графита с литием, то есть накопление энергии в виде химического соединения.
Такой аккумулятор полноценно работает на протяжении около 1000 циклов заряда-разряда.
Батарейка: Freepick
В современном мире все привыкли к тому, что электричество всегда есть в доме. Тысячи людей ежедневно трудятся для того, чтобы его источники работали бесперебойно.
Немного истории
Первая в мире электростанция для общественного пользования «Перл Стрит» была построена в Нью-Йорке в 1882 году. Ее спроектировал и установил не кто иной, как Томас Эдисон. И даже не брал плату за пользование вырабатываемой электроэнергией, пока весь механизм не заработал слаженно и без перебоев.
Но «прабабушка» всех станций могла зажечь только 10000 ламп, хотя и по тем временам это было чем-то сверхъестественным. В то же время современные электростанции вырабатывают в тысячи раз больше, обеспечивая электрическим током города с населением в 100000 человек!
История изобретения электричества
Было бы неправильно сказать, что кто-то один открыл электричество. Сама идея существовала тысячи лет, а затем началась эра научных и коммерческих исследований. Многие великие умы трудились над вопросом природы электричества.
Фалес Милетский
Около 600 года до н. э. греческий математик Фалес обнаружил, что во время трения меха о янтарь между ними возникает притяжение. Оказалось, что его вызывает дисбаланс электрических зарядов, так называемое статическое электричество.
Уильям Гилберт
Английский физик в 1600 году написал книгу «De Magnete». В ней ученый объяснил опыты, которые проводил Фалес Милетский. Явление статического электричества, которое античный исследователь производил с помощью янтаря (на греческом ‘электрум’), Гилберт назвал электрической силой.
Так появилось английское слово electricity. Кроме того, ученый изобрел электроскоп, который обнаруживал присутствие электрических зарядов на теле.
Шарль Франсуа Дюфе
В начале XVII века французский ученый открыл два типа электричества. Он назвал их стекловидным и смолистым (в современной терминологии — положительный и отрицательный заряды). Он обнаружил, что объекты с одинаковыми зарядами притягиваются, а с противоположными — отталкиваются.
Бенджамин Франклин
В середине XVIII века Бенджамин Франклин проводил многочисленные эксперименты, изучая природу электричества. В 1748 году ему удалось построить электрическую батарею из стеклянных листов, сжатых пластинами из свинца. Ученый открыл принцип сохранения заряда. Летом 1752 года Франклин провел знаменитый эксперимент, который доказал, что молния — это электричество.
Луиджи Гальвани
Этому итальянскому физику и биологу принадлежит первенство в открытии явления биоэлектромагнетизма. В 1780 году он проводил эксперименты на лягушках и выяснил, что электричество — та среда, с помощью которой нейроны передают сигналы мышцам.
Алессандро Вольта
Этот итальянский физик выяснил, что некоторые химические реакции — источники постоянного электрического тока. Он построил электрическую батарею из меди и цинка для производства непрерывного потока электрических зарядов.
Вольта ввел понятия электрического потенциала (V) и заряда (Q), выразил закон емкости, позже названный его именем. За эту работу единицу измерения электрического потенциала назвали в его честь.
Ханс Кристиан Эрстед и Андре-Мари Ампер
В начале XIX века датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил прямую связь между электричеством и магнетизмом. Он описал, как стрелка компаса отклоняется под воздействием электрического тока.
Вдохновленный этой работой французский физик Андре-Мари Ампер составил формулу для описания магнитных сил, которые возникают между объектами, несущими ток. В его честь назвали единицу измерения электрического тока.
Майкл Фарадей
Этот ученый:
- заложил основу концепции электромагнитного поля;
- обнаружил, что магнетизм влияет на световые лучи;
- изобрел электромагнитные вращательные устройства.
В 1831 году Фарадей сконструировал электрическую динамомашину, в которой вращательная механическая энергия непрерывно превращалась в электрическую. Это позволило производить электричество.
Томас Эдисон
В 1879 году ученый изобрел практичную лампочку. Далее он занялся разработкой системы, которая обеспечивала бы людей источником энергии для питания таких ламп. В 1882-м в Лондоне построена первая электростанция, которая вырабатывала электричество и поставляла его в дома людей.
Через несколько месяцев появилась первая электростанция в Нью-Йорке, которая поставляла электричество для освещения нижней части острова Манхэттен (85 потребителей смогли зажечь 5000 ламп). Это был постоянный ток.
Никола Тесла
Никола Тесла за работой: Flickr
Тесла известен разработкой нового типа двигателя переменного тока и технологии передачи электроэнергии. Он запатентовал систему с переменным током, чтобы обеспечивать людей электроэнергией высочайшего качества. Энергетические системы Теслы распространилась в США и Европе, так как обеспечивали дальнюю высоковольтную передачу.
Как электрический ток поступает в дома?
После того, как электростанции выработают ток, он по кабелю попадает на распределительную подстанцию для измерения и преобразования. Там же установленные трансформаторы повышают напряжение до 10000 вольт. Благодаря такому напряжению ток с минимальными потерями передается на дальние расстояния с невероятной скоростью, составляющей до 3000 км в секунду!
Потом ток поступает на понижающую подстанцию, где трансформаторы уменьшают напряжение до 220 вольт — стандарт, принятый в РФ. И далее электричество направляется на распределительные сети города, а оттуда — к вам в дом и квартиру. Вот такой непростой путь он проделывает, чтобы зарядить наш телефон, зажечь лампочку или заставить работать холодильник.
Как ток заставляет работать электроприборы?
Но как же у тока получается запустить в работу электрические устройства? Для наглядного понимания возьмем за основу обычную лампу накаливания и вернемся к нашим маленьким частицам.
Когда электроны с невероятной скоростью проходят по спирали лампочки, они постоянно наталкиваются на атомы металла, из которых состоит спираль. Атомы раскачиваются, и их температура сильно поднимается. Таким образом, электрический ток нагревает спираль лампы до 3000 градусов, отчего она начинает светиться. Именно поэтому для спирали не подходит использование любого металла, потому что он просто будет плавиться из-за высокой температуры.
В современных устройствах — мобильных телефонах, телевизорах, микроволновых печах — задействованы более сложные схемы, но принцип остается таким же: из-за быстрого потока частиц атомы проводников нагреваются, отчего и выделяют энергию и запускают в работу приборы.
Не только друг, но и враг!
Конечно же, электричество — важное и незаменимое изобретение для всего человечества. С его помощью люди:
- сделали и ежедневно делают уйму открытий;
- лечат смертельные в прошлом болезни;
- ездят на электротранспорте, не загрязняя окружающую среду выхлопными газами;
- могут путешествовать по миру, узнавать и видеть достопримечательности не выходя из дома!
Всей пользы электричества просто не описать в одной статье!
Но при всем этом ток может быть и опасным и в долю секунды забрать жизнь любого живого существа.
Кстати, любопытный факт. Птицы, которые сидят на высоковольтных проводах, не получают разряда из-за того, что принимают такое же напряжение, как и в самом кабеле. Дело в том, что они сидят только на одной фазе, но если вдруг хвостом или другой частью тела птица коснется земли, столба или другого провода, то ток сразу же ее ударит.
Правила безопасного обращения с электричеством для детей
Маленькие дети не понимают всей опасности обращения с электричеством. Конечно, речь сейчас идет не об игрушках, питающихся от батареек напряжением в 12 вольт, а об опасном и сильном «звере», живущем в розетках. Поэтому малышей нельзя оставлять вблизи розеток без специальных заглушек, да еще и без родительского присмотра.
Для более взрослых детей стоит провести беседу и объяснить следующие правила. Нельзя:
- Ставить или вешать посторонние предметы на провод прибора.
- Закручивать кабель в узлы.
- Пользоваться грязным проводом.
- Использовать электроприбор вблизи источников тепла: батарей, плит, духовых шкафов и т. п.
- Включать несколько мощных устройств одновременно в одну розетку. Покажите ребенку, где и как можно посмотреть мощность, или сами заранее составьте список, что с чем можно включать, а что — нет.
- Использовать или пытаться починить сломанный электроприбор, в том числе если нарушена изоляция (целостность) кабеля, повреждена вилка и т. п.
- Браться мокрыми руками за прибор или кабель.
- Тянуть за шнур (нужно выключать прибор из розетки, держась за вилку).
Также могут возникнуть непредвиденные ситуации:
- искры из розетки;
- дым от кабеля или прибора;
- запах гари и т. п.
На этот случай необходимо показать ребенку, где находится электрический щиток и как его выключить, и объяснить, что после отключения электричества нужно обязательно позвонить кому-то из взрослых.
Как рассказать ребенку про электричество
Электричество окружает детей повсюду: дома, на улице, в детсаду, в игрушках и бытовых приборах – сложно вспомнить сферу жизнедеятельности человека, где обходились бы без тока. А потому интерес детей к данной теме вполне объясним. Хотя рассказ о свойствах электричества – не только вопрос любознательности, но и… безопасности малыша!
В 2-3 года у маленького человечка начинается период, когда ему интересно все. Что это, зачем, как работает, почему оно такое, а не иное, как этим пользуются, чем полезно или вредно – миллион вопросов в сутки папе и маме гарантирован. Причем сфера интересов «почемучки» обширна: его волнуют как приземленные темы (вроде того, что такое деньги или Новый год), так и возвышенные (что такое космос, что такое любовь). И расспросы об электричестве также естественны. Что такое ток, откуда берется и куда пропадает, когда щелкаем выключателем? Почему от электричества светится лампочка, и работает телевизор? Как папин планшет или его музыкальные игрушки работают без провода к розетке? Чем так опасен ток, что родители запрещают даже приближаться к этой розетке? Вариантов не счесть! Конечно, можно отмахнуться от них, сказав, что ребенок еще мал, чтобы понять эту тему (с точки зрения науки, электричество столь сложное понятие, о котором можно рассуждать не раньше 12-14 лет). Но такой подход ошибочен. Причем с точки зрения и воспитания, и безопасности. Пусть малыш не разберется в физике процесса, но знать суть электротока и относиться к нему с должным уважением ему вполне под силу.
Электричество: пчелы или электроны?
Итак, начнем с базового вопроса: что такое электричество? В общении с ребенком 2-3 лет возможно несколько подходов. Первый: игровой. Можно рассказать малышу, что внутри проводов живут, например, маленькие пчелы или муравьи, фактически невидимые человеческому глазу. И когда электроприбор выключен, они там покоятся, отдыхают. Но стоит подключить его к розетке (либо нажать на выключатель, если он соединен с сетью), как они начинают трудиться: бегать либо летать внутри провода вперед и назад без устали! И от такого их движения вырабатывается энергия, зажигающая лампочку или позволяющая работать тем или иным приборам. Причем количество таких пчелок-муравьишек в проводе может быть разным. Чем их больше и чем активнее они двигаются, тем выше сила тока – а значит, тем больший механизм они могут запустить. Проще говоря, чтобы светилась лампочка в карманном фонарике, нужно совсем мало таких «помощников», а чтобы осветить дом – нужно иметь запас электричества намного, намного больше. И тут важно подчеркнуть: такие пчелы хоть и работают на пользу людей, но могут серьезно обидеться, если к ним относиться небрежно. Причем обидой дело не ограничится – они могут и больно-больно укусить (и чем больше пчелок, тем сильнее будет укус). А потому нельзя лезть в розетку или разбирать электроприбор, а также касаться оголенных проводов у подключенных приборов – пчелам может не понравиться, что кто-то пытается мешать им работать…
Демонстрируйте электроток на примерах
Какой бы подход в рассказе об электричестве вы ни выбрали, логичным для детей выступает следующий вопрос: а почему при включении прибора пчелы или электроны начинают в проводе двигаться, что их заставляет делать это? В таком случае надо в общих чертах рассказать о строении электросети, и желательно делать это с приведением наглядных примеров из окружающей жизни либо на фото- и видеоматериалах. Расскажите, что все-все провода в доме сходятся в один кабель, вмещающий нужное для жилья количество электронов/пчел. Далее он выходит на улицу и, опираясь на столбы, ведет к фабрике, где и производят эти частицы, – такой завод называют электростанцией. О том, как их производят (сжиганием угля, от привода на гидроэлектростанции или ветряках, от солнечных батарей), можно рассказать по желанию, если ребенок проявляет к этому интерес. Но обычно в 2-3 года хватает понятия, что есть такая фабрика, где делают «электрических пчел» или электроны. Хотя никто не запрещает провести вам с ребенком маленький, но наглядный эксперимент. Вам понадобится простейшая динамо-машина: с лампочкой и ручкой, от вращения которой светится лампочка. Малыш наверняка придет в восторг, видя, что может производить собственными руками электричество! Причем стоит ему перестать вращать рукоятку, и лампочка сразу гаснет – очень наглядно и просто.
Научите аккуратному обращению с электричеством!
Только помните: ваша цель – не запугать ребенка. Если в этом вопросе перегнете палку, велик риск, что в душе малыша поселится страх перед электричеством. Он будет панически бояться его, ему будет сложно пользоваться электроприборами, он будет их избегать и стараться сам их не включать. Правильнее не напугать, а научить аккуратности и бережливому отношению к току. Потому рассказывайте про риски, но не приукрашайте чрез меры все детали.
Для обучения обращению с электричеством уделите внимание на эти пункты:
нельзя включать любые электроприборы в доме без разрешения взрослых, они должны знать, что малыш включает и выключает телевизор, радионяню или другой крупный электроприбор;
недопустимо разбирать электрические приборы, даже если они отключены от розетки или малышу кажется, что требуется заменить какую-то деталь – например, перегоревшую лампочку в ночнике;
