Проводники, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют друг с другом через магнитное поле. Это магнитное поле возникает благодаря движущимся электрическим зарядам и любым проводникам с током. Сила взаимодействия между токами называется силой Ампера. Ее величина определяется по закону Ампера, а направление — с использованием мнемонического правила левой руки.
Почему провода бьют током? Статья
Опасно ли прикосновение к проводу, находящемуся под напряжением? Безусловно, да. Согласно статистическим данным, ежегодно от поражений электрическим током умирает около 30 000 человек, что является довольно устрашающей цифрой. Но откуда же возникают такие трагические последствия, и почему провода могут бить током? Давайте разберемся в этом вопросе более подробно.
Для начала следует напомнить, что электрический ток представляет собой организованное движение заряженных частиц, таких как электроны или ионы.
Все природные и большая часть искусственных материалов можно классифицировать на изоляторы и проводники (также существуют полупроводники, однако о них мы говорить не будем). Изоляторы характеризуются прочной связью между электронами и атомными ядрами, из-за чего свободно движущихся заряженных частиц в них крайне мало. В результате такие материалы не способны проводить электрический ток.
В проводниках ситуация обстоит совершенно иначе. В их внутренней структуре электроны, обладая достаточной энергией, могут покинуть атомное ядро и стать свободными. В толще проводника электроны перемещаются хаотично, но как только проводник подключается к источнику питания, они начинают двигаться в одном направлении, что и приводит к образованию электрического тока.
Важно отметить, что электроны в проводнике передвигаются достаточно медленно: их максимальная скорость составляет около 1 мм/с. Однако большинству людей кажется, что ток в проводнике распространяется мгновенно. На самом деле свободных электронов в проводнике очень много, и они равномерно распределены по всей длине проводника. Когда источник питания включается (то есть создается разность потенциалов), незначительная часть свободных электронов должна преодолеть очень короткое расстояние, чтобы замкнуть цепь. Поэтому, например, лампочка в светильнике загорается практически сразу после нажатия на выключатель.
Использование собственного тела в качестве проводника — крайне опасное решение.
Электрическое сопротивление
Проводники способны хорошо проводить электрический ток, однако в процессе этого они все равно оказывают определенное сопротивление. Во время движения электроны взаимодействуют с другими электронами и атомами, сталкиваясь с ними и теряя часть своей энергии. Эта потерянная энергия не исчезает без следа — она выделяется в виде тепла (процесс на самом деле немного более сложный, но для ясности мы его упростили). На основании этого возникает две важные зависимости:
- Чем больше электронов проходит через проводник (то есть чем больше ток), тем больше энергии они передают и тем сильнее проводник нагревается. Для того чтобы снизить этот эффект, необходимо увеличить сечение провода.
- Чем выше электрическое сопротивление проводника, тем хуже он проводит ток и тем сильнее нагревается.
Взаимодействие индукционного тока с магнитом
При приближении магнита к катушке, в ней возникает индукционный ток таким образом, что магнит будет отталкиваться. Для того чтобы приблизить магнит к катушке, необходимо приложить усилие, то есть совершить положительную работу. При этом катушка ведет себя как магнит с одноименным полюсом, обращенным к приближающемуся магниту. Одноименные полюсы, как известно, отталкиваются. В случае, если магнит удаляется, в катушке начинает протекать ток, которому присуща направленность, позволяющая создавать притягивающую магнитную силу.
Представьте, что ситуация могла бы развиваться иначе. Если бы при введении магнита в катушку он сам устремлялся бы в нее, это противоречило бы основному закону сохранения энергии, так как в данном случае увеличивалась бы кинетическая энергия при одновременном возникновении индукционного тока, который также требует использования части энергии. Это означало бы, что и кинетическая энергия, и энергия тока возникали бы из ничего, что невозможно.
Подтвердить данный вывод можно с помощью следующего эксперимента. Пусть на свободно вращающемся стержне закреплены два алюминиевых кольца: одно с разрезом, а другое — без разреза. Если поднести магнит к кольцу без разреза, оно будет отталкиваться; если же поднести магнит к кольцу с разрезом, реакции не последует, поскольку индукционный ток в этом случае не возникает из-за наличия разреза. Однако если отдалить магнит от кольца без разреза, оно начнет притягиваться.
Эксперименты показывают, что степень притягивания или отталкивания кольца с индукционным током может зависеть от того, приближается магнит или удаляется. Эти состояния различаются по характеру изменения линий магнитной индукции, проходящих через контур, ограниченный кольцом. В первом случае (рис. а) магнитный поток увеличивается, во втором же (рис. б) — уменьшается. То же самое наблюдается в экспериментах с магнитом и проводящей катушкой.
При этом в первом случае линии индукции B’, создаваемого индукционным током магнитного поля, выходят из верхней части катушки, так как она отталкивает магнит. Во втором случае они, наоборот, направляются в эту часть.
Правило Ленца
Описанные выше эксперименты дают возможность сделать вывод, что при увеличении магнитного потока, проходящего через витки катушки, индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует увеличению магнитного потока через витки катушки. Если же магнитный поток уменьшается, индукционный ток создает магнитное поле с такой индукцией, которая наоборот способствует увеличению магнитного потока через витки.
Правило, определяющее направление индукционного тока, называется правилом Ленца.
Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему его появление.
Чтобы применять правило Ленца для определения направления индукционного тока Ii в контуре, следует действовать следующим образом:
- Определить направление линий магнитной индукции → B внешнего магнитного поля.
- Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔΦ > 0), или уменьшается (ΔΦ < 0).
- Установить направление линий магнитной индукции → B’磁ное поле индукционного тока Ii. Эти линии, согласно правилу Ленца, должны быть направлены противоположно линиям → B при ΔΦ > 0 и совпадать с ними при ΔΦ < 0.
- Зная направление линий магнитной индукции → B’, определить направление индукционного тока Ii, используя правило правой руки.
Пример №1. Найти направление индукционного тока, возникающего в кольце при приближении к нему магнита (см. рисунок).
Линии магнитной индукции у магнита направлены в сторону кольца, поскольку он движется к нему северным полюсом. Поскольку магнит приближается к кольцу, магнитный поток увеличивается, следовательно, кольцо начинает отталкиваться. Тогда оно также будет ориентировано к магниту одноименным полюсом — северным. При помощи правила правой руки направьте большой палец руки к северному полюсу. Остальные пальцы покажут направление индукционного тока, который в нашем случае будет протекать против часовой стрелки.
Задание EF17577
| МАГНИТ | ПОВОРОТ КОРОМЫСЛА И ТОК В КОЛЬЦЕ | ||
| А) | движется к кольцу, северный полюс обращен к кольцу | 1) | коромысло с кольцом поворачивается, отталкиваясь от магнита, ток идет по часовой стрелке |
| Б) | движется к кольцу, южный полюс обращен к кольцу | 2) | коромысло с кольцом поворачивается, отталкиваясь от магнита, ток идет против часовой стрелки |
| 3) | коромысло с кольцом поворачивается, притягиваясь к магниту, ток идет по часовой стрелке | ||
| 4) | коромысло с кольцом поворачивается, притягиваясь к магниту, ток идет против часовой стрелки |
Алгоритм решения
- Записать правило Ленца.
- В соответствии с правилом Ленца установить, что произойдет, если к кольцу поднести магнит северным полюсом.
- Согласно правилу Ленца определить, что произойдет, если к кольцу поднести магнит южным полюсом.
Решение
Запишем правило Ленца:
Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему его появление.
Какое напряжение подается на магнетрон
Микроволновая печь прочно вошла в обиход. Безусловно, крайне обидно, когда этот прибор выходит из строя. Однако схема микроволновой печи не является сложной, и большинство ремонтов можно осуществить самостоятельно, хотя и следует соблюдать осторожность — напряжение на вторичной обмотке трансформатора достигает 2,1 кВ.
На табличке с паспортными данными, размещенной на задней части печи, указано, что напряжение в сети не должно превышать 230 В. В советской энергосистеме допускаются колебания напряжения в сети от 198 В (это 10% от 220 В) до 231 В (105% от 220 В). Частота тока в сети составляет стабильные 50 Гц. Печь потребляет 1200 Вт, из которых только 800 Вт используются для разогрева пищи, остальные 400 Вт идут на потери в трансформаторе и возбуждение магнетрона.
Корпус СВЧ печи закреплен тремя саморезами, что, кажется, было сделано для экономии, так как крепления для четвертого самореза не предусмотрено. Саморезы размещены несимметрично, что обеспечивает надежное крепление.
После откручивания саморезов и аккуратного снятия верхнего кожуха открываются внутренние компоненты устройства. В этом устройстве наивысшее место занимает магнетрон — лампа, предназначенная для излучения ультракоротких волн. Под магнетроном находится трансформатор, а немного сбоку можно увидеть большой конденсатор в форме спирали, от которого к корпусу выводится диод.
Мы можем заметить, что у магнетрона есть два вывода: один — это провод от низковольтной обмотки трансформатора, а второй — общий для низковольтной и высоковольтной обмоток. Если мы откроем магнетрон, мы увидим, что контакт с высоковольтной обмоткой уходит глубже в сам резонатор. Менять местами концы проводов у магнетрона нельзя.
Схема питания выглядит следующим образом: С1 и R1 находятся в одном запаянном корпусе — это конденсатор. Резистор 10 МОм предназначен для быстрой разрядки конденсатора и ограничения тока во время работы магнетрона. VD1 — это диодный блок, содержащий тысячи последовательно соединенных диодов, поэтому проверить его с помощью тестера не получится. FU1 — это предохранитель, который срабатывает при ненормальной работе конденсатора, магнетрона или диода.
Расположение электродов
Однако еще в 1903 году был установлен факт, что опасность поражения током в большей степени зависит от полюсов источника постоянного тока. Например, в ситуациях, когда электрод с отрицательным полюсом прикреплен к верхней части тела человека, а электрод с положительным — к нижней, риск поражения значительно возрастает по сравнению с обратным расположением. Ученый Ажибаев развил эту гипотезу, и его эксперименты на собаках подтвердили, что фибрилляция сердца появляется быстрее именно в случае расположения электрода с отрицательным полюсом сверху. Тем не менее, реакция на электрическое воздействие может варьироваться в зависимости от вида животного.
В 1970-1972 годах проводились исследования Гудэрски, которые включали анализ воздействия постоянного тока промышленной частоты. В рамках этих испытаний ученые постепенно увеличивали напряжение с нуля до максимально допустимого, в результате чего было установлено, что степень повреждений животных при воздействии постоянного тока была значительно ниже (в несколько раз) по сравнению с теми же повреждениями от переменного тока (при частоте 50-60 Гц). Это еще раз подчеркивает, какой из двух видов тока более опасен — переменный или постоянный.
Свойства магнитного поля
Исследование свойств магнитного поля проводилось в первой половине XIX века Х. Эрстедом и A. Ампером. В ходе своих экспериментов ученые установили, что магнитное поле возникает от проводников с током и именно это поле вызывает отклонение стрелки компаса.
В качестве направления линий магнитной индукции было выбрано направление, указывающее на северный полюс магнитной стрелки. Эксперименты продемонстрировали, что линии магнитной индукции вокруг проводника с током формируют окружности, причем их плотность увеличивается, по мере приближения к проводнику (это говорит о том, что магнитное поле слабеет с увеличением расстояния).
Классическим правилом для определения направления линий магнитной индукции является правило винтовой рейки: если направление поступательного движения винта совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки винта и будет указывать направление вектора магнитной индукции посредством вращения. В современном мире правило обхвата правой руки оказывается более удобным — если большой палец правой руки при обхвате проводника указывает направление тока, тогда остальные пальцы укажут направление линий индукции.
В отличие от электрического поля, линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца. Таким образом, магнитное поле представляет собой вихревое. Несмотря на то, что теория допускает существование источников линий магнитной индукции, таких как магнитные заряды, на данный момент такие заряды не были найдены в природе.
В дальнейшем в работах Дж. Максвелла была представлена идея о том, что магнитное поле, как и электрическое, является различным проявлением более фундаментального электромагнитного поля.
Закон Ампера
Закон, который определяет силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, был открыт А. Ампером в 1820 году.
На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила (впоследствии названная силой Ампера), величина которой равна произведению тока в проводнике, модуля магнитной индукции, длины проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции.
Формула закона Ампера выглядит следующим образом:
$F = I |\overrightarrow B| \Delta l \sin \alpha$
Для определения направления силы Ампера применяется правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца указывали бы направление тока, то большой палец укажет направление силы Ампера.
Результат исследований
Благодаря углубленному изучению электротравм, ученым удалось определить, какой ток более опасен — переменный или постоянный. Исследования, проводимые учеными Академии наук Киргизии, включали лабораторные эксперименты на собаках, где были получены новые данные о сравнительной опасности постоянного и переменного тока при напряжениях 12, 36 и 120 В.
Выяснилось, что в стандартной ситуации, когда электроды расположены на конечностях человека, риск поражения при напряжении 120 В постоянного тока сопоставим с риском поражения при 42 В переменного тока. Кроме того, постоянный ток в сети с напряжением 108 В может быть столь же опасен, как и ток в сети с напряжением 36 В.
Эти данные дают возможность оценить уровень опасности для человека от переменного и постоянного тока. Оба типа могут нанести ущерб организму, однако в случае постоянного тока напряжение в сети должно быть значительно выше. Таким образом, вероятность получения ожога или другого повреждения от постоянного тока оказывается ниже.
Какая сила тока может убить человека?
220 вольт — это не величина силы, а напряжение, тогда как смертельная сила тока зависит от того, через что она проходит. Если ток идет через сердце, то и нескольких ампер может оказаться достаточным для летального исхода!
Это ваш новый способ справиться с обидчиком?
Если вас неожиданно лишили зарплаты и выставили с работы.
Каждый человек обладает разным сопротивлением тока, что и приводит к различному значению смертельного напряжения.
В общем случае, даже 0.1 А уже может быть смертельным! А вам это зачем? Хотите покончить с собой?
Да, такие случаи действительно имеют место… Например, мой друг потерял отца таким образом.
По моим данным, ток, который способен вызвать сбой в работе сердечного ритма, равен 300 мА, однако ток, проходящий через тело, зависит от сопротивления человеческого тела, поэтому более правильно задавать вопрос: какое напряжение может привести к возможной смерти. Если у каждого человека разное сопротивление, тогда смертельный ток может пройти даже через обычный телефонный провод.
Электротравма представляет собой серьезную угрозу в первую очередь из-за воздействия тока на сердечно-сосудистую систему. Напряжение от 36 вольт и выше может спровоцировать остановку сердца или дыхания, однако следует помнить, что убивает не напряжение, а именно сила тока. Смертельный исход происходит при электрическом ударе, когда ток поражает все системы организма. В таких случаях возникает резкий спазм скелетных и дыхательных мышц, а также внезапная остановка сердца. Мышцы реагируют на электрический потенциал сильными спазмами, что приводит к тому, что пострадавший не может самостоятельно отпустить провод. Чем сильнее ток, тем крепче конечности пострадавшего прилипают к месту контакта. Также имеет значение и время воздействия электричества на организм. Длительный контакт часто приводит к смертоносному исходу либо на месте поражения, либо в течение некоторого времени после. Пострадавший может продолжать существовать до тех пор, пока не произойдет остановка сердца. Воздействие тока на мозг может быть абсолютно безболезненным, но имеет разрушительный характер — у многих пострадавших при вскрытии мозговая ткань буквально находилась в состоянии перегрева, как будто голова человека побывала в микроволновой печи. В медицинской литературе описаны случаи, когда некоторые люди не чувствовали воздействия смертельных величин силы тока и напряжения. Причиной этому является сопротивление верхнего слоя кожи. Значения пороговых неотпускающих токов варьируются у разных людей, а также между мужчинами, женщинами и детьми. Средние значения составляют: для мужчин — 16 мА при 50 Гц и 80 мА при постоянном токе, для женщин (соответственно) — 11 и 50 мА, для детей — 8 и 40 мА. Ток, превышающий пороговый неотпускающий ток, усиливает судорожные сокращения мышц и болевые ощущения, которые охватывают значительно большую область тела человека. Поток тока от 25 до 50 мА при 50 Гц воздействует на мышцы не только рук, но и туловища, включая грудные мышцы. Это значительно затрудняет дыхательные движения. При длительном воздействии этого тока дыхание может стать невозможным, что приведет к смерти от асфиксии. Этот ток также вызывает сужение сосудов, что приводит к повышению артериального давления и затруднению работы сердца. При длительном воздействии этого тока наблюдается ослабление сердечной деятельности, что может привести к потере сознания. Ток силой более 50 мА вплоть до 100 мА (50 Гц) воздействует на тело значительно сильнее, чем ток силой от 25 до 50 мА; это значит, что последствия нарушения легочных и сердечных функций могут проявиться гораздо быстрее. При этом, как и при действиях тока от 25 до 50 мА, первыми поражаются легкие, а затем — сердце. Порог неотпускающего тока при токах от 25 мА и выше приводит к судорогам всех мышц тела (включая дыхательные), что создаёт угрозу смерти от удушья, нарушает работу нервной и сердечно-сосудистой систем, может стать причиной потери сознания или клинической смерти, что требует применения реанимационных действий. Переменный ток порядка 100 мА воздействует непосредственно на миокард, вызывая фибрилляцию сердца, при этом для восстановления ритмичных сокращений сердца используется дефибриллятор. Переменный ток с напряжением до 450-500 В более опасен, чем постоянный ток. Однако при более высоком напряжении постоянный ток становится опаснее переменного. Воздействие тока с напряжением выше 350 В вызывает местные изменения — электроожоги 3-й и 4-й степени (см. раздел Ожог) в местах входа и выхода тока, и их характер может варьироваться от точечных следов до обугливания конечностей — https://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/126/197.htm.
