Как начать разбираться в электрике: самоучитель с нуля для начинающих электромонтеров

Что изучает электрика

Наука начала стремительно развиваться в XIX в. В то время были открыты первые законы, позволившие понять, что такое электричество. Теоретические основы проверялись на практике. Стали появляться первые электрические приборы, улучшаться средства передачи электроэнергии от источников к потребителям.

Наука электрика основывалась на открытиях в области математики, физики, химии. Она изучала природу, свойства тока, электромагнитных полей.

Современная наука помогает узнавать все о приборах, работающих с использованием электричества. Благодаря исследованиям создаются более совершенные устройства. Электротехника — наука, ставшая основным двигателем прогресса.

С чего начать обучение

Пособия по электрике «для чайников» присутствуют на информационных порталах. Дефицита таких материалов не наблюдается, поэтому каждый желающий может начать изучать дисциплину с нуля. Однако если человек планирует получить профессию электрика, ему придется поступать на соответствующий факультет высшего или средне-специального учебного заведения.

Вуз, техникум, колледж

Многие учебные учреждения предлагают получить профессиональное образование электрика. Стоит рассмотреть особенности обучения в каждом из них:

1. Полный курс в ВУЗе длится 4-5 лет. Здесь дается минимальная практическая база. Однако ВУЗы готовят специалистов с хорошими теоретическими знаниями. Учебные заведения принимают выпускников 11-х классов или ССУЗов.
2. Техникумы дают равное количество теоретических и практических навыков. Обучение направлено на получение рабочей специальности. Поэтому теория изучается менее детально, чем в ВУЗе. Техникумы принимают выпускников 9-х или 11-х классов школы. Обучение длится 4 или 3 года соответственно.
3. Училище или колледж. Такие заведения подготавливают рабочих, поэтому теоретическая часть сведена к минимуму. Профессию электрика в училище можно получить за 1-3 года.

Курсы

Такие программы помогают освоить базовые навыки за 2-8 недель. Уроки проходят как в стандартном, так и в онлайн-режиме. Недостатком курсов считается малый объем получаемых знаний. Начинающий электрик изучает азы электротехники, осваивает некоторые навыки. Практические занятия обучающийся проводит самостоятельно.

Все курсы ведутся на платной основе, проходить их можно, не оставляя другой работы.

Самообучение

Если описанные способы обучения не подходят, человек может осваивать электротехнику самостоятельно с помощью специальной литературы. Выполнять сложные задачи в таком случае электрик не сможет, однако смонтировать проводку в квартире ему будет под силу. Чтобы стать опытным специалистом с помощью самоучителей, необходимо проходить практику помощником электрика. Ученик должен внимательно следить за действиями наставника, выполнять несложные задания.

Формулы для постоянного электрического тока

Постоянный электрический ток не изменяется в величине и направлении. Он используется для расчета замкнутой, однородной цепи, мощности и прочих параметров. Поэтому важно знать формулы для него и основные законы, связанные с ним.

Закон Ома для участка однородной цепи

Чтобы электрический ток существовал, нужно поле. Для его образования, нужны потенциалы или разность их, выраженная напряжением. Ток будет направлен на снижение потенциалов, а электроны начнут свое передвижение в обратном направлении. В 1826 г. Г. Ом провел исследование и сделал заключение: чем больше показатель напряжения, тем больше ток, который проходит через участок.

К сведению! Смежные проводники при этом проводят электричество по-разному. То есть каждый элемент имеет свою проводимость, электрическое сопротивление.

В результате, согласно теореме Ома, сила тока для участка однородной цепи будет иметь прямую пропорциональность показателю напряжения на нем и обратную пропорциональность проводниковому сопротивлению.

Закон Ома

По формуле I = U / R, где I считается силой тока, U — напряжением, а R — электрическим сопротивлением, последнее значение можно найти, если p * l / S, где p является удельным проводниковым сопротивлением, l — длиной проводника, а S — площадью поперечного проводникового сечения.

Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока

Ом сделал формулу и для замкнутой цепи. По ней ток на этом участке из токового источника, имеющего внутреннее и внешнее нагрузочное сопротивление, равен делению электродвижущей силы источника на сумму внутреннего и внешнего сопротивления. Она выглядит так: I = e / R + r, где I является токовой силой, е — ЭДС, R — сопротивлением, а r — внутренней сопротивляемостью источника напряжения.

Обратите внимание! В физическом смысле по этому закону, чем выше показатель ЭДС, тем выше источник энергии, больше скорость движения зарядов. Чем выше сопротивляемость, тем ниже величина тока.

Закон Ома для замкнутой цепи

Работа постоянного тока

Энергия, когда проходит через проводник, упорядоченно двигается в носитель. Во время движения она совершает работу. В результате работой постоянного тока называется деятельность поля, направленная на перенос электрических зарядов по проводнику. Она равна умножению I на совершаемое работой напряжение и время.

Закон Джоуля-Ленца

Когда электричество проходит через какой-то проводник с сопротивляемостью, всегда высвобождается теплота. Количество тепла, которое высвободилось за определенный промежуток времени, определяет закон Джоуля-Ленца. По формуле мощность тепла равняется умножению плотности электричества на напряжение — w =j * E = oE(2).

Обратите внимание! В практическом понимании закон имеет значение для снижения потери электроэнергии, выбора проводника для электроцепи, подбора электронагревательного прибора и использования плавкого предохранителя для защиты сети.

Закон Джоуля-Ленца

Схемы электрических соединений

Существует 2 основных вида цепей, в которых компоненты соединяются параллельно или последовательно. Начинающему электрику стоит изучить принципы их построения и работы.

Параллельное и последовательное

В первом случае электричество разветвляется на все цепи, соединенные друг с другом. Общий ток равен сумме значений в каждой ветке. На соединенные параллельно цепи поступает одинаковое напряжение.

При последовательном построении схемы ток из одной ветки переходит в другую. Через все цепи проходит заряд одинаковой силы.

Законы Кирхгофа

Электрика любого помещения выполняется в виде замкнутых, рабочих электрических цепей. Два главных закона, которые определяют процессы в электрических сетях, являются законы Кирхгофа. Их два. Оба из них применяются и для постоянных и для переменных токов.

Первый закон Кирхгофа утверждает:

Суммарная величина токов направленная к узлу электрической сети равна суммарной величине токов направленных от узла.

В практике на основе первого закона Кирхгофа основана работа Устройств защитного отключения (УЗО). Работа УЗО заключается в отключении электропитания сети при возникновении токов утечки. При нормальном режиме работы суммарное значение тока, втекающая в электрическую сеть равна значению тока утекающему из нее. Если равенство токов нарушается, значит, в сети есть утечка. УЗО сконструировано и подключено таким образом, что при утечке тока УЗО его обнаруживает и размыкает питание электросети.

Второй закон Кирхгофа гласит:

Любой замкнутый контур переменной электрической сети имеет равные значения комплексных напряжений и ЭДС (электродвижущих сил) на всех пассивных элементах сети.

Примечание: Комплексное напряжение это значение напряжение в сети переменного тока.

Практическое применение можно пояснить на любой квартирной группе электропитания. Для пояснения рассмотрим квартиру.

Сколько бы групп электропитания в квартире не было, на любой розетке или светильнике напряжение в сети (при рабочем режиме) будет 220 вольт.

Системы автоматической защиты

Электросеть несет 2 вида угроз:

1. Мощность бытовой проводки достаточна для возгорания материалов, используемых при отделке помещений. Замыкание в сети приводит к неконтролируемому повышению силы тока и воспламенению. Свести вероятность возникновения такой ситуации к нулю невозможно, однако ее снижают путем введения в цепь автоматического выключателя. При повышении параметров тока пластина устройства деформируется, высвобождается пружина, которая размыкает контакты. Автомат не реагирует на импульсы пускового тока.
2. Нулевой провод связан с землей, фазовый находится под напряжением по отношению к ней. Между таким проводником и заземленными предметами возникает ток. Поражение человека электричеством, образующимся между 2 сетевыми кабелями, практически не опасно. Однако при некоторых условиях прохождения тока электротравма становится смертельной. Автоматические системы защиты следят, чтобы ток входил в один провод и уходил по другому. При появлении напряжения между фазой и заземленным предметом, например, телом человека, УЗО обесточивает сеть.

Учимся читать схемы

Принципиальная электрическая схема устройства – штука на самом деле не такая запутанная и непонятная как кажется с первого взгляда при условии знания условных обозначений элементов. В доказательство мы сейчас вместе разберем схему подключения электрической лампочки через выключатель и предохранитель (рис.12).

Схема подключения электрической лампочки через выключатель и предохранитель

Как видно из рисунка, лампочка просто включается в розетку, на одном из проводов (обычно это фаза) установлен выключатель, предохранитель (по правде в этой схеме он не нужен, но все же…) оберегает лампочку и проводку от сгорания в результате скачков напряжения либо короткого замыкания (что тоже, по сути, является скачком напряжения, ибо сила тока при резком падении сопротивления до нуля возрастает в разы – вспомним закон Ома). Немного ознакомившись со схемами и теорией (хотя бы с ее основами), хотелось бы поскорее приступить к практическим работам. Сделать, например, для жены подсветку зеркала в ванной, но, прежде чем приступить к подобной работе, еще немного поговорим об основах – их знание (даже не просто знание, это должно быть в крови и выполняться автоматически) может сохранить нервы, здоровье, а возможно и жизнь.

Выполнение электромонтажных работ

Создание электрических сетей состоит из нескольких этапов:

• проектирования;
• подготовки материалов и инструментов;
• прокладки проводки.

Необходимые инструменты

Для работы потребуются:

• фазоискатель;
• плоскогубцы;
• кусачки;
• ножи;
• изоляционная лента;
• отвертки;
• мультиметр для проверки сетей.

Удаление виниловой изоляции с проводов (зачистка)

Процедура сопряжена с некоторыми сложностями. Ее нужно проводить так, чтобы не повреждалась токопроводящая жила. Иногда каждый проводник защищается виниловой изоляцией. Набор таких шин помещается в еще одну оплетку. В таком случае нужно разрезать верхний слой, не повреждая внутренней изоляции. Для снятия оплетки используют тупой нож, для зачистки медных или алюминиевых жил — острый.

При разрезании изоляции лезвие вводят на половину толщины материала. После этого жилы разводят в стороны плоскогубцами. Внешняя изоляция рвется по линии надреза.

Изоляция

Места соединения или повреждения оплетки тщательно изолируют. При электромонтаже для этого используют специальную ленту. Для начала жилы изолируют раздельно, затем вместе. Нанесенный на изоленту клей должен обеспечивать прочную фиксацию. Материал надежно приклеивают к виниловой оплетке на ширину, препятствующую отслаиванию или сползанию.

Немного практики – ремонтируем старый удлинитель

Если дома завалялся старый неработающий удлинитель, выкидывать его не стоит. То есть просто не стоило раньше, а теперь после прочтения этого материала уже и поздно. Надо ведь теперь применить полученные знания, отдохнуть от скучной теории, да и просто руки размять. В первую очередь разбирается корпус вилки и самого удлинителя и проверяются контакты. Они могут отгореть, окислиться, может быть переломлен провод на сгибе. Если обнаружилась одна из этих причин, провод аккуратно обрезается ножом, зачищается и прикручивается на место, после чего все собираем как было и проверяем. Заработало? Поздравляю с первым, пусть простым, но все-таки ремонтом электротехники! Нет? Тогда где-то поврежден провод. Иногда встречаюсь с рекомендациями вроде “осмотри провод, посади на скрутку и замотай изолентой”. Можно, конечно сделать и так, но… Начнем с того, что удлинитель сразу теряет первоначальный внешний вид. Потом надежность контакта. Да, скрутку нередко используют в электрике, но в основно в тех местах, где провода неподвижны (например в распределительных коробках). Но провод на наличие повреждений осмотреть все же стоит – если оно находится недалеко от вилки или блока розеток, то его можно просто обрезать, зачистить концы и прикрутить на свое место. Если же повреждение где-то ближе к средине провода, то намного разумнее заменить его новым, желаемой длины и сечения. В итоге удлинитель будет отремонтирован в любом случае, но при замене провода станет более удобным, так как длина и сечение подбирались исходя из потребностей.

Видео – Как починить удлинитель в домашних условиях

Выбор электрического провода

Кабели бывают одно- или многожильными. В первом случае имеется единственная токопроводящая жила. В многожильном кабеле шина состоит из сплетенных проводников. Провода различают и по количеству токопроводящих элементов. Для создания 3-фазной проводки применяют 4-жильный кабель. Состоящие из 3 проводников изделия используются при создании бытовых электросетей. Жилы изготавливают из серебра, алюминия или меди.

Первый вариант применяется в промышленных условиях, что объясняется высокой электропроводностью. В быту используют медь или алюминий.

Электротехника и электрическая механика

Эти науки являются взаимосвязанными. Электрическая механика изучает базовые схемы оборудования, потребляющего электроэнергию. Курс теории и практики помогает научиться ремонту бытовых приборов. Основные положения электрической механики позволяют понять, как работают двигатель и генератор, в чем заключаются различия между стабилизатором и трансформатором.

Техника безопасности

При работе с электрическими сетями или приборами соблюдают такие правила:

1. Перед началом эксплуатации или ремонта оборудования изучают инструкцию. В разделе безопасности прописаны недопустимые действия, приводящие к замыканию и поражению током.
2. Устройства необходимо обесточивать. После этого оценивают состояние изоляции проводов. При выявлении повреждений оголенные места закрывают изолентой.
3. При невозможности обесточивания электрической сети работают в диэлектрических перчатках, обуви на резиновой подошве и специальных очках.
4. Доступ к распределительным щитам и электроустановкам начинающим специалистам запрещен.
5. Нельзя касаться лишенных изоляции проводов руками. Для поиска фазы используют мультиметры, индикаторные отвертки и другие инструменты.

Рекомендации начинающим

Электрик-новичок должен следовать таким советам:

1. При выборе сечения кабеля учитывают простой закон: мощность равна напряжению, умноженному на силу тока. По этой формуле рассчитывают главные токовые параметры. С помощью таблиц выбирают сечение проводников и характеристики других элементов электрической сети.
2. Провода прокладывают строго горизонтально или под прямым углом. Расстояние от потолка до кабеля должно составлять не менее 20 см. При наличии в помещении труб от них отступают не менее 40 см.
3. Распределительные щиты устанавливают на высоте 1,2 м. Между отдельными модулями оставляют расстояние, обеспечивающее циркуляцию воздуха.
4. Электрические цепи защищают автоматическими выключателями, срабатывающими при утечке тока.

Чтобы стать опытным электриком, нужно постоянно выполнять практические задания и совершенствовать навыки.

Основы электротехники для начинающего электрика

В этой главе продолжим изучение электротока, рассмотрим способы его изменения, узнаем больше о постоянном и переменном токе, а также рассмотрим несколько новых условных обозначений элементов. Как уже было сказано выше, бытовая электросеть подключена к источнику переменного тока с частотой колебаний в 50 герц. Эта частота вполне подходит для питания некоторых электроприборов – таких как лампочки, электронагревательные приборы, а также двигатели переменного тока, но подавляющему большинству электропотребителей ток требуется постоянный, причем значительно меньшего напряжения, чем подается в электросеть. Как же решается эта проблема? Сейчас мы рассмотрим этот вопрос в той последовательности, в какой это происходит в самих приборах, где напряжение сначала понижается до нужного и лишь потом преобразуется в постоянное.

Трансформаторы – устройство и принцип работы

Способов понижения напряжения существует несколько, но здесь мы рассмотрим самый простой – понижающий трансформатор (схематическое изображение показано на рисунке 13).

Рис.13 Обозначение – понижающий трансформатор

На рис.14 показан самый простой китайский трансформатор, похоже, от магнитофона, но на нем хорошо видно, что однофазный понижающий трансформатор содержит 2 обмотки, внутри которых помещен металлический сердечник. Обмотки называются первичной и вторичной. Первичная содержит большее число витков и включается непосредственно в электросеть вторичная же витков содержит меньше и с нее снимается пониженное напряжение.

Трансформатор питания

Давайте рассмотрим как это работает. Переменный ток (а трансформаторы, дроссели и катушки индуктивности допускается запитывать только переменным током – от постоянного они перегорают), проходя через первичную обмотку, генерирует электромагнитное поле той же частоты, что и подаваемое напряжение. Благодаря металлическому сердечнику, во вторичной обмотке возникает ЭДС (электродвижущая сила) и генерируется выходное напряжение. Рассчитать это напряжение можно зная примерное соотношение количества витков в обмотках. Так, если первичная обмотка содержит 1000 витков и питается от электросети напряжением 220 В, а вторичная – 100 витков, то выходное напряжение трансформатора будет около 22-х В. Эта же зависимость справедлива и в обратную сторону, то есть, если число во вторичной больше, нежели в первичной, то трансформатор будет повышающим. Теперь, зная, как понизить напряжение до необходимого значения, разберем, как преобразовать его в постоянное, ведь. как уже было сказано, большинство приборов запитывается именно постоянным током.

Диод и его выпрямляющие свойства

Для того, чтобы легче понять принцип выпрямления тока диодами, вернемся к разговору о переменном токе. Как разъяснялось ранее, сетевой переменный ток меняет свое направление 50 раз в секунду. Это пояснение дает довольно точное представление о сути переменного тока, но не позволяет понять его структуры. Получить более детальное представление о нем поможет график на рис. 15, где волны изображенные выше нуля по шкале Y являются положительным полупериодом, а те, что располагаются ниже 0 – отрицательным.

Рис.15 График переменного тока

Благодаря этому графику, мы понимаем, что фазовый провод становится то положительным, то отрицательным проводником. Видя такое свойство переменного тока, давайте вспомним о полупроводниковом диоде, который, как известно пропускает ток только в одном направлении. Сопоставив два этих знания, мы понимаем. что уже находимся на полпути к решению. И в самом деле, пропуская переменный ток через диод, на выходе мы получаем только положительный полупериод. То есть включив в цепь два диода в разном направлении, на выходе другого мы получим отрицательную полуволну, а это уже почти источник постоянного тока. Но такой ток будет пульсирующим, что непригодно для питания аппаратуры (работать-то она какое-то время будет, но очень скоро придет в негодность). Как быть? А вот тут на выручат еще 2 диода (рис. 16), добавленные в помощь двум первым. Такая схема называется диодным мостом.

Рис.16 Схема диодного моста

Правда и таким образом выпрямленный ток все равно не будет считаться окончательно выпрямленным, его амплитуда будет такой, как показано на рисунке 17.

Рис.17 Амплитуда тока

Плохо? Нормально! Выход есть и о нем мы сейчас поговорим.

Конденсатор и его свойства

Чтобы сгладить пульсацию тока, выпрямленного диодным мостом, нам потребуется конденсатор (схематическое изображение на рисунке 18).

Рис.18 Обозначение конденсаторов на схемах

Одним из его свойств является пропускать переменный ток и задерживать постоянный, чем мы и воспользуемся. Благодаря этому свойству конденсатора остаточная пульсация, проходя через него, будет просто «уходить в землю». На рисунке 19 мы видим, как всего лишь один конденсатор сгладил напряжение практически до полностью постоянного.

Рис.19 Схема, на которой конденсатор сглаживает напряжение

Как теперь будет выглядеть схема нашего источника постоянного тока показано на рисунке 20.

Рис.20 Схема источника постоянного тока

Что еще нужно знать о конденсаторе? Основным его свойством является обладание электрической емкостью, то есть способностью накапливать электрический ток (да, почти как аккумулятор, только в отличии от него, конденсатор как заряжается, так и отдает весь заряд практически мгновенно). Емкость эта измеряется в фарадах (обозначается буквой Ф, либо латинской F). Правда с такой большой емкостью столкнуться, скорее всего, никогда не придется, чаще всего приходится иметь дело с микрофарадами (1/1000000 доля фарада, обозначается буквами mkF), нанофарадами (1/1000 микрофарада, обозначается nF) и пикофарадами (1/1000 нанофарада, pF).

Рис.21 Единицы измерения емкости конденсаторов

Также конденсаторы делятся на сухие и электролитические, последние имеют полярность, на рисунке 18 изображен как раз такой. Сухие на схемах обозначаются также, только без знака “+”. Теперь когда мы знаем кое-что о катушках и многое о конденсаторах, стоит узнать и запомнить одну истину, знать которую нужно каждому электрику.

Примечание! Чем выше частота тока тем выше индуктивное сопротивление и ниже емкостное.

В переводе на нормальный русский язык это значит, что в цепи переменного тока катушка обладает высоким сопротивлением, а конденсатор низким, а при постоянном токе – наоборот. Вот почему выше писалось, что в цепь постоянного тока катушки включать нельзя – при отсутствии сопротивления сила тока возрастает во много раз и катушка попросту сгорает.