Электрический ток — направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.
Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные). Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.
Обрати внимание!
Условия существования электрического тока:
• наличие свободных электрических зарядов;• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;• замкнутая электрическая цепь. Электрическое поле создают источники электрического тока.
Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.
Существуют различные виды источников тока:
• Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.
Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.
• Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.
К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.
• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.
При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
• Химический источник тока — в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.К нему относится, например, гальванический элемент.
В цинковый сосуд Ц вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещён в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углём заполнено желеобразным раствором соли Р.
В результате химической реакции цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле.
В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд — отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.
Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.
Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины: одна — из спрессованного железного порошка, а вторая — из пероксида никеля. Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие. Чтобы электроэнергию доставить от источника до потребителя, необходимы соединительные проводники, а чтобы её поступлением можно было управлять, нужны рубильники, выключатели, кнопки и т.д.
Обрати внимание!
Источник электроэнергии, потребители электроэнергии, замыкающие устройства, соединённые между собой проводами, называют электрической цепью.
Чтобы в цепи существовал электрический ток, она должна быть замкнутой, т.е. состоять из проводников электричества. Если в каком-либо месте провод разорвётся, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие выключателей.
Обрати внимание!
Чертежи, на которых изображаются способы соединения электрических приборов в цепь, называют схемами.
Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:
| Гальванический элемент или аккумулятор | Батарея элементов и аккумуляторов | Ключ | Электрическая лампочка накаливания | Электрический звонок | Резистор |
 |
| Двигатель | Генератор | Мотор | Клеммы | Провод | Пересечение проводов без соединения | Соединение проводов |
Источники:
Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.
http://www.fizika.ru/kniga/index.php?mode=paragraf&theme=09&id=9010http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba06a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_8.swf
Электрический ток
Электрическим током называется упорядоченный поток отрицательно заряженных элементарных частиц – электронов. Электрический ток необходим для освещения домов и улиц, обеспечения работоспособности бытовой и производственной техники, движения городского и магистрального электротранспорта и.т.п.
Электрический ток
- Rн – сопротивление нагрузки
- A – индикатор
- К – коммутатор цепи
- Ток – количество зарядов прошедших в единицу времени через поперечное сечение проводника.
- Исторически принято считать, что ток в замкнутой цепи, движется от положительного, к отрицательному полюсу источника питания.
- I – сила тока
- q – количество электричества
- t – время
- Единицу силы тока называют амперам А, по имени французского учёного Ампера.
- 1А = 103мА = 106мкА
Электрическому току присущ ряд физических характеристик, имеющих количественные значения, выражаемые в определенных единицах. Основными физическими характеристиками электротока являются его сила и мощность.
Сила тока количественно выражается в амперах, а мощность тока – в ваттах. Не менее важной физической величиной считается векторная характеристика электрического тока, или плотность тока.
В частности, понятием плотности тока пользуются при проектировании линий электропередач.
- J – плотность электрического тока А / ММ2
- S – площадь поперечного сечения
- I – ток
- Электропитание всех электрических устройств осуществляется постоянным либо переменным током.
- Электрический ток, направление и значение которого не меняются, называется постоянным.
- Электрический ток, направление и значение которого способны изменяться называется переменным.
- Электропитание многих электротехнических устройств осуществляется переменным током, изменение которого графически представлено в виде синусоиды.
Можно с уверенностью констатировать, что самым великим достижением человечества является открытие электрического тока и его использование. От электрического тока зависят тепло и свет в домах, поступление информации из внешнего мира, общение людей, находящихся в различных точках планеты, и многое другое.
Современную жизнь невозможно представить без повсеместного наличия электричества. Электричество присутствует абсолютно во всех сферах жизнедеятельности людей: в промышленности и сельском хозяйстве, в науке и космосе.
Электричество также является неизменной составляющей повседневного быта человека. Такое повсеместное распространение электричества стало возможным благодаря его уникальным свойствам. Электрическая энергия может мгновенно передаваться на огромные расстояния и преобразовываться в различные виды энергий иного генезиса.
Основными потребителями электрической энергии являются промышленная и производственная сферы. При помощи электроэнергии приводятся в действие различные механизмы и устройства, осуществляются многоэтапные технологические процессы.
Невозможно переоценить роль электроэнергии в обеспечении работы транспорта. Практически полностью электрифицирован железнодорожный транспорт. Электрификация железнодорожного транспорта сыграла значительную роль в обеспечении пропускной способности дорог, увеличении скорости передвижения, снижении себестоимости пассажироперевозок, решении проблемы экономии топлива.
Наличие электричества является непременным условием обеспечения комфортных условий жизни людей. Вся бытовая техника: телевизоры, стиральные машины, микроволновые печи, нагревательные приборы – нашла свое место в жизни человека только благодаря развитию электротехнического производства.
Главенствующая роль электроэнергии в развитии цивилизации неоспорима. Нет такой области в жизни человечества, которая обходилась бы без потребления электрической энергии и альтернативу которой могла бы составить мускульная сила.
Электрический ток
Электрический ток образуется в веществе только при условии наличия свободных заряженных частиц.
Заряд может находиться в среде изначально или же формироваться при условии содействия внешних факторов (температуры, электромагнитного поля, ионизаторов).
Движение заряженных частиц хаотичны при условии отсутствия электромагнитного поля, а при подключении к двум точкам вещества, разности потенциалов превращаются в направленные — от одного вещества к другому.
Понятие, сущность и проявления электрического тока
Определение 1
Электрический ток – это упорядоченное и направленное движение заряженных частиц.
Такими частицами могут быть:
- в газах – ионы и электроны,
- в металлах – электроны,
- в электролитах – анионы и катионы,
- в вакууме – электроны (при определенных условиях),
- в полупроводниках – дырки и электроны (электронно-дырочная проводимость).
Замечание 1
Часто используют такое определение. Электрический ток – это ток смещения, который возникает в результате изменения электрического поля во времени.
- Курсовая работа 480 руб.
- Реферат 270 руб.
- Контрольная работа 210 руб.
Электрический ток может выражаться в следующих проявлениях:
- Нагрев проводников. Выделение теплоты не происходит в сверхпроводниках.
- Изменение химического состава некоторых проводников. Данное проявление преимущественно можно наблюдать в электролитах.
- Формирование электрического поля. Проявляется у всех проводников без исключения.
Рисунок 1. Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Классификация электрического тока
Определение 2
Электрический ток проводимости – это явление, при котором заряженные частицы движутся внутри макроскопических элементов той или иной среды.
Конвекционный ток – явление, при котором движутся макроскопические заряженные тела (к примеру, заряженные капли осадков).
Различают постоянный, переменный и пульсирующий электрические токи и их всевозможные комбинации. Однако в таких комбинациях часто опускают термин «электрический».
Существует несколько разновидностей электрического тока:
- Постоянный ток – это ток, величина и направление которого слабо изменяются во времени.
- Переменный ток – это ток, направление и величина которого прогрессивно меняются во времени. Под переменным током понимается ток, который не является постоянным. Среди всех разновидностей переменного тока основным является тот, величина которого может изменяться только по синусоидальному закону. Потенциал каждого конца проводника в данном случае изменяется по отношению к другому концу попеременно с отрицательного на положительный, и наоборот. При этом он проходит через все промежуточные потенциалы. В результате формируется ток, который непрерывно изменяет направление. Двигаясь в одном направлении, ток возрастает, достигая своего максимума, который именуется амплитудным значением. После чего он идет на спад, на какой-то период приравнивается к нулю, после чего цикл возобновляется.
- Квазистационарный ток – это переменный ток, который изменяется относительно медленно, для его мгновенных значений выполняются законы постоянных токов с достаточной точностью. Подобными законами являются правила Кирхгофа и закон Ома. Квазистационарный то во всех сечениях неразветвленной сети имеет одинаковую силу. При расчете цепей данного тока учитываются сосредоточенные параметры. Квазистационарные промышленные токи – это те, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется (кроме токов в линиях дальних передач).
- Переменный ток высокой частотности – это электрический ток, в котором уже не выполняется условие квазистационарности. Он проходит по поверхности проводника и обтекает его со всех сторон. Такой эффект получил название скин-эффект.
- Пульсирующий ток – это электрический ток, у которого направление остается постоянным, а изменяется только величина.
- Вихревые токи или токи Фуко – это замкнутые электрические токи, которые расположены в массивном проводнике и возникают при изменении магнитного потока. Исход из этого, вихревые токи являются индукционными. Чем скорее магнитный поток изменяется, тем сильнее становятся вихревые токи. По проводам они не текут по определенным путям, а замыкаются в проводнике и образуют вихреобразные контуры.
Благодаря существованию вихревых токов, осуществляется скин-эффект, когда магнитный поток и переменный электрический ток распространяются по поверхностному слою проводника. Из-за нагрева вихревыми токами происходит потеря энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока.
Чтобы уменьшить потерю энергии для вихревых потоков применяется деление магнитных проводов переменного тока на отдельные пластины, которые изолированы друг от друга и располагаются перпендикулярно по направлению вихревых токов.
Из-за этого ограничиваются возможные контуры их путей, и стремительно уменьшается величина этих токов.
Характеристики электрического тока
Исторически так сложилось, что направление движения положительных зарядов в проводнике совпадает с направлением тока. Если естественными носителями электрического тока являются отрицательно заряженные электроны, то направление тока будет противоположно по направлению положительно заряженных частиц.
Скорость заряженных частиц напрямую зависит от заряда и массы частиц, материала проводника, температуры внешней среды и приложенной разности потенциалов. Скорость целенаправленного движения составляет величину, которая значительно меньше скорости света.
Электроны за одну секунду перемещаются в проводнике за счет упорядоченного движения меньше, чем на одну десятую миллиметра.
Но, несмотря на это, скорость распространения тока приравнивается скорости света и скорости распространения фронта электромагнитных волн.
То место, где меняется скорость перемещения электронов после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространение электромагнитного колебания.
Основные типы проводников
В проводниках в отличие от диэлектриков есть свободные носители некомпенсированных зарядов. Они под воздействием силы электрических потенциалов приходят в движение и формируют электрический ток.
Вольтамперная характеристика или, иными словами, зависимость силы тока от напряжения является главной характеристикой проводника. Для электролитов и металлических проводников она принимает простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжения. Это закон Ома.
В металлах носителями тока являются электроны проводимости, которые рассматриваются как электронный газ. В них отчетливо проявляются квантовые свойства вырожденного газа.
Плазма – это ионизированный газ. В данном случае при помощи ионов и свободных электронов переносится электрический заряд. Свободные электроны образуются под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения или нагревания.
Электролиты – это твердые или жидкие системы и вещества, в которых присутствует заметная концентрация ионов, что обуславливает прохождение электрического тока. В процессе электролитической диссоциации образуются ионы.
Сопротивление электролитов при нагревании падает из-за роста числа молекул, которые разложились на ионы.
В результате прохождения электрического тока сквозь электролит, ионы приближаются к электродам и нейтрализуются, оседая на них.
Физические законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, который выделился на электродах. Также существует электрический ток электронов в вакууме, применяемый в электронно-лучевых приборах.
Что такое электрический ток — определение. Верно ли оно?
Похоже, что первые обозначения электротехническим понятиям давали люди, занимающиеся гидравликой. Другими словами, наукой, название которой образовано из двух греческих слов — вода и труба. Само название «электрический ток» (течение) говорит об этом.
Неудивительно, что некоторые понятия и определения взяты именно из этой науки. Например, напряжение (разность потенциалов) — разность давлений в сообщающихся сосудах. А также, сопротивление проводника электрическому току — сопротивление трубы течению жидкости.
Обычная картинка, объясняющая параметры электрического тока
И даже существует специальный метод сравнения воды с электрическим током.
«Метод электрогидравлических аналогий — метод анализа гидравлических схем, гидромашин и гидрооборудования, основанный на систематическом перенесении теории электрических схем в гидродинамику.» Википедия
Потому так удобно приводить «водяные» ассоциации в отношении электрического тока. Ведь они к нему применялись изначально, еще на этапе открытия. Однако это вовсе не значит что такие параллели верны.
Они всего лишь помогают понять явление, которое не воспринимается нашими органами чувств напрямую. В итоге же еще больше запутывают человека. Это касается не только сравнений электрической проводки с водопроводом.
Это касается и определения электрического тока как понятия.
Как правило, электрическому току дают следующее определение:
Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля.
Причем частицы могут быть самыми различными. К примеру, в металлах — это электроны. А вот в газах — ионы и электроны. В растворе кислот и солей (электролитах) — положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы). Для полупроводников — это электроны и дырки.
Более того, иногда определение формулируется несколько иначе. Например, не движение заряженных частиц, а перенос электрического заряда от одной частице к другой. Существует и другое мнение. Электроны движутся в сторону, противоположную направлению тока.
Так что электрический ток — это не движение частиц. Электрический ток — это электромагнитная волна, колебания. Некоторые люди считают что электроток создаётся направленным потоком эфира, а движения электронов — лишь следствие этого.
Но все-таки обычно преобладает первое определение.
Безусловно, чрезвычайно интересен тот факт, что у этого определения электрического тока нет автора. Другими словами, определение берется просто ниоткуда. И существует само по себе.
Причем, дается вышеуказанное определение обычно школьникам. В высших учебных заведениях такого определения уже не встречается.
Там электрический ток скорее назовут скоростью изменения электрического заряда во времени.
А вот, к примеру, у определения электричества существует автор. Это Уильям Гильберт (1544 — 1603) — английский физик, придворный врач Елизаветы I и Якова I.
Он дал следующее определение этому явлению: «Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.
» Это вероятно потому, что здесь чистое определение. Без всякого поползновения на объяснение.
Уильям Гильберт — английский физик
Определение же электрического тока претендует на пояснение того, что это такое. В результате, создается ложное ощущение того, что наука объяснила суть явления.
Более того, объяснила окончательно и бесповоротно! Все вопросы разрешены! Однако, появляется лишь множество дополнительных вопросов.
Почему электроны и ионы частицы? Частицы чего? Атома? Почему заряженные? Чем? Почему их движение направленное? А что такое «заряд»? Откуда он берется?
Самое смешное, что ничего ведь не изменится, если дать электрическому току даже сказочное определение. Мол, электрический ток — это целенаправленное движение маленьких человечков. В одном случае, они бегут всегда в одном направлении. В другом случае, бегают то туда, то сюда.
Причем у них при этом изменяются эмоции. Никто не видел маленьких человечков. Но никто не видел и электронов.
И самое главное — сказочное определение никак не помешает совершать правильные электротехнические расчеты! Даже если мы будем проводить их в человечках и их эмоциях!
Примером этому может служить широко известный факт про направление движения электрического тока. Изначально направление движения считали от плюса к минусу. Однако, позднее это утверждение пересмотрели.
Потому как стали считать электроны отрицательно заряженными частицами. Считается, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга. С другой стороны, разноименные заряды притягиваются друг к другу. Разумеется, отрицательно заряженные электроны будут двигаться к плюсу.
Значит, течение электрического тока происходит от минуса к плюсу.
Но в электротехнике ничего изменять не стали. На схемах движение тока происходит по-старому. И это никак не мешает никаким расчетам. Когда надо подсчитать что-то конкретное, то тогда и стоит учитывать характеристики носителей. То есть, их заряд, концентрацию, а также направление дрейфа.
Тем более, что движение может происходить не только в металлах. Но, например, и в электролитах. Где движение будет считаться от положительных ионов к отрицательным. Иначе говоря, направление движения электрического тока, а также его определение — искусственное соглашение. Принятое для удобства.
Но никак не объяснение самого явления.
В качестве определения можно даже рассказать анекдот. Он о том, как преподаватель объясняет студентам сущность электрического тока.
«Представим себе длинный коридор — это провод. Теперь представьте, что вы стоите в одном конце коридора, и вас начинают гнать палками в другой конец. Вот вы – это ток. Кто вас бьёт — это напряжение. Чем сильнее вас бьют – тем сильнее напряжение, тем быстрее вы бежите в другой конец коридора – тем больше сила тока. Теперь представьте, что в коридоре расставили стулья – это сопротивление. Чем больше стульев – тем сильнее сопротивление, тем сложнее вам бежать, тем ниже сила тока.»
Тем не менее, модификация определений ничего не изменяет. Но все меняется, когда мы подходим к практическим наблюдениям. Вот эти наблюдения действительно важны. Тот же закон Ома определяет взаимосвязь между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника. Это чисто практические наблюдения.
Такие наблюдения не претендуют на какие-то глобальные объяснения. Все просто. Если напряжение и сопротивление имеют определенные параметры, то сила тока будет иметь определенное этими параметрами значение. И смотрите какое дело. Эти наблюдения сразу становятся Законом! Причем Закон этот имеет имя ученого, его открывшего.
И никакой таинственности!!!
Георг Симон Ом — немецкий физик
Все дело в том, что мы получаем конкретную пользу, когда проводим наблюдения и устанавливаем взаимосвязь. Например, мы замечаем, что если определенным образом сложить ветки и укрыть их листьями, то получится некое сооружение. И если в нем прятаться во время дождя, то останешься сухим. А значит не заболеешь. Будешь здоровым и счастливым. Налицо прямая выгода! Которую мы получаем практически.
Когда же мы начинаем рассуждать про движение электронов и бегающих человечков, то уходим в область мифотворчества. Начинаем заниматься отвлеченными теоретическими и философскими рассуждениями.
В которых на каждом шагу нужно добавлять выражения: «возможно, вероятно, может быть». И делать это очень легко, так как практического применения у определения электротока по сути нет.
Поэтому любое определение электрического тока ничего конкретного не означает.
Однако, если быть точными, такое определение все-таки может принести некоторую относительную пользу. В качестве притчи или аналогии. Оно позволяет человеческому мозгу легче осознать нечто невидимое и таинственное. Увидеть материальный аналог этого нечто. Иначе говоря, не понять, а просто принять непонятное. Другими словами, привыкнуть к нему.
«Из объяснений я ничего не понял, но постепенно привык и перестал удивляться. Я совершенно убежден, что через десять-пятнадцать лет любой школьник будет лучше разбираться в общей теории относительности, чем современный специалист. Для этого вовсе не нужно понимать, как происходит искривление пространства-времени, нужно только, чтобы такое представление с детства вошло в быт и стало привычным.» Аркадий и Борис СтругацкиеТеория Эйнштейна вошла в быт и стала привычной
Но, если копнуть глубже, то такая польза становится более похожей на вред. Причем по той же самой причине. Особенно для молодого поколения. А ведь это определение дается как раз школьникам.
Оно позволяет молодым людям видеть систему такой, какой она сама хочет, чтобы ее видели. Для системы выгодно создать о себе образ всемогущей и всезнающей. «У нас все схвачено. Мы все про все на свете знаем.
Не сомневайся, дорогой товарищ!»
Внушенные с детства, человеку подобные определения зашоревают глаза на всю оставшуюся жизнь. Хорошо, если человек понимает условность подобных утверждений и определений. Это позволяет ему и дальше свободно мыслить, не обращая внимания на ложные условности.
Но чаще происходит обратное. Прочитав определение, человек успокаивается и принимает его как максиму. Другими словами, дает себе разрешение не размышлять далее в этом направлении. И это, к сожалению, относится далеко не только к определению электрического тока.
Что такое электрический ток — определение видео
Игорь Петрович Копылов (1928 года — 2014) — доктор технических наук, профессор, почетный профессор кафедры «Электромеханика» Московского энергетического института, Заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии СССР. Почётный академик Инженерной Академии РФ, почётный академик Академии Электротехнических Наук РФ. Участник Великой Отечественной войны.
И. П. Копылов говорит об определении электричества
- Для вашего удобства подборка публикаций
- Почему нельзя разделять ноль в этажном щитке на N и PE
- Где в розетке плюс, а где минус?
- Исторические байки про электричество
- Почему в Америке 110 вольт, а у нас 220?
- Главная страница
- Спасибо за посещение канала, чтение заметки, лайки, дизлайки и комментарии
Что такое электрический ток?
Сейчас мы не представляем себе ни нормального дня без электричества, этот вид энергии так хорошо прижился у нас в быту, что мы попросту ничего без него не сможем сделать.
Только представьте на минуту этот ужас без электричества, когда весь наш мир поглотит кромешная темнота… Невозможно будет без электричества приготовить пищу, не смогут работать телевизор и интернет.
Зайдите к себе на кухню и посчитайте количество электрических приборов, наверняка насчитаете, как минимум, десять штук. А если вернуться в прошлое, когда электрическая энергия не была так распространена? Мы ведь как-то обходились без неё.
Да, но с её появлением наша жизнь стала намного проще, у нас появилось больше времени и мы стали больше успевать сделать дел. Мы уже и не говорим о промышленности, какой скачок произошел в ее развитии с появлением этого вида энергии, открылись новые возможности и технологии, человечество просто взлетело вверх в своем развитии.
Вы спросите, почему электричество, почему этот вид энергии, ведь есть много альтернативных источников энергии? Например, для работы электротехники можно использовать тепловую энергию, механическую, энергию солнца, приливов и так далее.
Но почему именно этот вид энергии? Да потому, что ее использование экономически выгодно и эффективно, ее легко получить и передать и что немаловажно — преобразовать в другие нужные нам виды энергии. Еще немаловажным плюсом всех электрических машин является компактность. Если сравнить двигатель внутреннего сгорания и простой электродвигатель одинаковой мощности, то второй как минимум в два раза будит меньше. Не говоря уже о стоимости обслуживания, потерях и количества энергии затраченного на выполнение одинаковой работы.
Каким бывает ток?
Ну, мы думаем, хватит распевать все преимущества электрической энергии, настало время поговорить о ней самой, что же она из себя представляет, и с чем ее едят.
Во-первых, хотим уяснить, что все представление об электрической энергии делится на два вида: постоянный ток и переменный. У нас в быту в основном применяется переменный ток, и только в некоторых случаях – постоянный.
Например, для зарядки мобильных телефонов, да и компьютеры тоже работают на постоянном токе, батарейки и различного типа аккумуляторы тоже являются источниками постоянного тока.
Этим двум видам энергии есть научные определения.
Переменный ток
Начнем с переменного тока. Переменным электрическим током называется направленное упорядоченное движение электрически заряженных частиц, которое изменяется по величине и направлению в течении времени.
Существуют несколько электрических величин характеризующих электрическую энергию.
Все наверное знают такой термин как напряжение.
Обозначается оно буквой U латинского алфавита и измеряется в вольтах (В). Вторая величина, называемая силой тока, обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). Именно ток потребляется из сети, когда мы что-то подключаем к ней. Также существует такое понятие, как частота.
Она присуща только переменному току, так как переменный ток изменяется в течении времени по закону синуса. Количество этого изменения в течение одной секунды и является частотой в нашей сети. Частота составляет 50 герц, то есть ток и напряжение в течении секунды изменяются по величине и направлению 50 раз.
Замеры различных физических величин можно произвести при помощи электроизмерительных приборов
Постоянный ток
А вот постоянным током называют упорядоченное направленное движение электрически заряженных частиц, но, в отличие от переменного тока, не изменяющееся с течением времени. Этот род тока также характеризуется напряжением и силой тока.
Но эти два рода тока в одних и тех же условиях ведут себя по разному, но есть закон, которому подчиняются и переменный и постоянный токи. Это всем давно известный закон Ома. Он заключается в том, что сила тока, протекающая в цепи прямо пропорциональна напряжению этой цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этой цепи I=U/R.
Появляется новая характеристика — сопротивление R, измеряется в омах (ОМ), оно указывают на сопротивление, которое оказывает цепь, то есть проводник протеканию по нему тока. Первые упоминания об электричестве указываются в физике.
Есть отдельная наука, которая занимается изучением этого вида энергии, также есть много ответвлений от этой науки, которые изучают поведение электричества в различных условиях. Мы уверены, что этот вид энергии за малое количество времени так глубоко внедрился в нашу жизнь, что мы еще очень долгое время будем зависимы от неё.
Самыми надежными марками считаются отечественные
Электрический ток
Основные теоретические сведения
Электрический ток. Сила тока. Сопротивление
К оглавлению…
В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:
Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.
Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):
Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I1 до значения I2, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:
Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:
При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:
где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.
Сопротивление проводника зависит и от его температуры:
где: R0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.
Диод в цепи постоянного тока
Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:
Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением.
Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи.
Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.
Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников
К оглавлению…
Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат.
Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа.
Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.
1. Закономерности последовательного соединения:
Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:
- 2. Закономерности параллельного соединения:
- Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:
Электроизмерительные приборы
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов.
Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB.
Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
К оглавлению…
Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения.
Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.
Природа сторонних сил может быть различной.
В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле.
Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:
Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).
- Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):
- Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.
- Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника.
Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер).
Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
Несколько источников ЭДС в цепи
- Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:
- 1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:
- Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.
- 2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:
- В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.
При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:
В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
К оглавлению…
Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:
Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).
Энергобаланс замкнутой цепи
К оглавлению…
- Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:
- Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:
- Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R1 и R2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:
- Мощность потерь или мощность внутри источника тока:
- Полная мощность, развиваемая источником тока:
- КПД источника тока:
Электролиз
К оглавлению…
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы.
К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества.
Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.
Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду).
Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:
- Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:
- где: n – валентность вещества, NA – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:
Электрический ток в газах и в вакууме
К оглавлению…
Электрический ток в газах
В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов.
Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы.
Этот процесс называется ионизацией газов.
Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц.
Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре.
Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).
Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.
Электрический ток в вакууме
Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.
Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума.
Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации.
Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.