Лекция постоянный электрический ток кратко
Обновлено: 06.07.2024
Все мы гении. Но если вы будете судить рыбу по её способности взбираться на дерево, она проживёт всю жизнь, считая себя дурой.
Альберт Эйнштейн
Вопросы к экзамену
Для всех групп технического профиля
Учу детей тому, как надо учиться
Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.
Урок 27. Лекция 27-1. Электрический ток, его характеристики. Сопротивление. Закон Ома.
Проводники отличаются от диэлектриков тем, что в них есть свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему проводника.
Если изолированный проводник поместить в электрическое поле , то на свободные заряды qв проводнике будет действовать сила . В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, не скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю.
Однако, в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током.
Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.
За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов.
В металлах носителями зарядов являются электроны - отрицательно заряженные частицы, поэтому электрический ток в металлах всегда направлен против дижения электронов.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I.
Сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:
Сила тока численно равна количеству зарядов, прошедших через поперечное сечение проводника за 1 секунду.
Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике
I - сила тока, S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле.
Единица измерения силы тока в Международной системе единиц СИ ампер [А].
Прибор для измерения силы тока называется амперметр.
Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток.
На схемах электрических цепей амперметр обозначается .
Амперметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. Внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называетсяпостоянным.
Кратковременный ток в проводнике можно получить, если соединить этим проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал. Ток в проводнике исчезнет, когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем и длительное время поддерживать электрическое поле.
Условия существования электического тока:
1. Наличие свободных зарядов внутри проводника,
2. Наличие разности потенциалов на концах проводника (создание электрического поля внутри проводника)
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создается электрическим полём, а оно при этом совершает работу. Работа тока – это работа сил электрического поля, создающего электрический ток.
Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.
Работа электростатических сил при перемещении единичного заряда равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Величину U12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2.
Напряжение – это физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, численно равно работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2.
В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U12 = φ1 – φ2
Единица измерения напряжения в Международной системе единиц СИ вольт [В].
Прибор для измерения напряжения называется вольтметр.
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов.
На схемах электрических цепей амперметр обозначается .
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. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.
Аналогично тому, как трение в механике препятствует движению, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника. Причина сопротивления: столкновение свободно движущихся зарядов с ионами кристаллической решетки.
Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением проводника.
В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом [Ом]. Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
Электрическое сопротивление проводника зависит от размеров и формы проводника и от материала, из которого изготовлен проводник.
S – площадь поперечного сечения проводника
l – длина проводника
ρ – удельное сопротивление проводника.
Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.
Величину ρ, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением проводника. Оно численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 мм 2 , изготовленного из данного вещества. Единица удельного сопротивления в СИ [1 Ом*м = 1 Ом*мм 2 /м]
Сопротивление проводника зависит и от его состояния, а именно от температуры.
Эта зависимость выражается формулой или
α – температурный коэффициент сопротивления. Для всех чистых металлов .
При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении – уменьшается.
Закон Ома для участка цепи.
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), пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными.
Графическая зависимость силы тока I от напряжения U называется вольт-амперная характеристика (сокращенно ВАХ). Она изображается прямой линией, проходящей через начало координат.
По вольт-амперной характеристике проводника можно судить о его сопротивлении: чем больше угол наклона графика к оси напряжения, тем меньше сопротивление проводника.
Условия, необходимые для существования электрического тока:
- Наличие свободных заряженных частиц;
- Наличие электрического поля, действующего на заряженные частицы с силой в определённом направлении;
- Наличие замкнутой электрической цепи.
Действия тока:
- Тепловое: проводник по которому течет ток нагревается.
- Химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника (электролита).
- Магнитное: ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Вокруг проводника с током существует магнитное поле.
Электродвижущая сила
Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.
Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов.
Сторонние силы — любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т.е. кулоновских).
Основные характеристики электрического тока (таблица)
Виды соединений источников тока
Шунтирование амперметра
Важным примером применения последовательного и параллельного соединения проводов являются различные схемы включения электроизмерительных приборов. Допустим, что имеется некоторый амперметр, рассчитанный на максимальный ток Imax, а требуется измерить большую силу тока. В этом случае параллельно к амперметру присоединяют малое сопротивление r, по которому направится большая часть тока. Его называют обычно шунтом. Сопротивление амперметра – R, и пусть R/r=n. Сила тока в цепи, амперметре и в шунте равны соответственно I, Iа и Iш
Параллельное присоединение шунта к измерительному прибору с целью изменения его чувствительности называют шунтированием. Схема шунтирования амперметра добавочным малым сопротивлением r.
Постоянный ток. Работа и мощность.
Закон Джоуля – Ленца.
Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда Dq: A=DqU
Учитывая, что Dq = IDt получаем: A= IUDt = I 2 RDt = Dt
При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую.
Закон Джоуля – Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.
Q = I 2 • R • t – закон Джоуля — Ленца.
Закон открыт экспериментально независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Х.Ленцем. Q = А – по закону сохранения энергии.
Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени.
Дополнительные материалы по теме
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
1. Что такое электрический ток
2. Проводники и диэлектрики
3.Направление движения электрического тока
4.Основные параметры тока
5.Закон Ома
1.Что такое электрический ток
Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных элементарных частиц от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому, например, под воздействием электрического поля.
2.Проводники и диэлектрики
Заряженные частицы, способные перемещаться, существуют только в определённых веществах, называемых проводниками.
Другими словами, проводники — это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел.
Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны:
углерод (в виде угля и графита).
Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов.
Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма).
Вещества, не содержащие свободных носителей заряда, принадлежат к категории диэлектриков (изоляторов) .
3.Направление движения электрического тока
В различных средах электрический ток обусловлен движением различных зарядов, как отрицательных (электронов), так и положительных (положительных и отрицательных ионов).
Возникает вопрос, движение каких частиц принять за направление движения электротока?
Волевым путём з а направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц , а в том случае, если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения этих частиц.
Хотя не все согласны с таким выбором. Например, при описании работы выпрямителей, часто за направление движения принимают именно направление движения отрицательно заряженных частиц.
Кроме того, многие исследователи считают, что заряженные частицы разных знаков вообще движутся в противоположные стороны одновременно и говорить о направлении движения тока не имеет смысла!
4.Основные параметры тока
Чтобы движение свободных электронов в проводнике от одного полюса к другому было возможным, между полюсами должна существовать разность потенциалов или напряжение. Напряжение (U) равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда к величине перемещаемого заряда на участке цепи.
В качестве примера потенциала можно привести некоторый груз лежащий на горе. Чем выше гора, тем большей силы удар может нанести это груз при падении. Разность потенциалов в этом случае — разница между высотой горы и точкой падения.
Также и с электричеством: если в некоторой точке потенциал 220V, а в другой 0V, то напряжение (разность потенциалов) равно 220 – 0 = 220V.
А если в первой точке потенциал 220V, а в другой 50V, то напряжение (разность потенциалов) равно 220 – 50 = 170V.
Напряжение измеряется в вольтах (В) .
Количество заряженных частиц, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени, может быть разным. Оно определяет один из важнейших параметров — силу тока .
Если вместо заряженных частиц представить поток воды в трубе, то то количество воды проходящей через поперечное сечение трубы является аналогом силы тока в проводнике.
Сила (величина) тока измеряется в амперах (А).
Сопротивление
Так уж повелось, что любое движение в нашем мире не обходится без сопротивления. Например, человеку трудно пройти через толпу из-за сопротивления встречных людей, или автомобиль с выключенным мотором обязятельно остановится из-за трения качения.
Способность проводника препятствовать прохождению тока называется сопротивлением . Оно зависит от материала, длины и сечения материала. Сопротивление может проявляться, в частности, в нагреве проводника.
Интересно, что сопротивление может меняться:
Сопротивление металлических проводников увеличивается с повышением температуры.
У полупроводников сопротивление сильно уменьшается при повышении температуры.
У некоторых металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивление скачком уменьшается до нуля (явление сверхпроводимости).
В таблицах значения удельного сопротивления проводников обычно приводятся для температуры 20°C. Сопротивление или удельное сопротивление при других значениях температуры можно найти пересчетом.
Сопротивление зависит от размеров проводника: чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление, но в то же время, чем больше сечение проводника, тем сопротивление меньше.
Сопротивление измеряется в омах (Ом).
Сила ток, напряжение и сопротивление связаны между собой законом Ома, который гласит: "Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению":
Электрические приборы и машины окружают человека повсеместно, выполняя самые разные работы. Одним из их важнейших параметров является мощность .
Мощность электрического тока это работа, совершаемая током за единицу времени.
Работа, совершаемая электрическим током подсчитывается по формуле А=UIt.
А мощность по формуле P=I 2 R .
Также используются формулы P=IU, или P=U 2 /R.
Мощность измеряется в ваттах (W) . 1000 ватт составляют 1 киловатт.
Один ватт — есть мощность, которую развивает электрический ток величиной в один ампер при напряжении в один вольт.
Что такое постоянный ток и его применение.
Ток, который не меняет своего направления называется постоянным . При этом он может менять свою величину.
Постоянный ток применяется:
в высоковольтных линиях электропередач (500 кV), так как если применять переменный ток, такого же действующие напряжения, учитывая амплитудные значения напряжений и их перепад, эти напряжения могут в несколько раз превышать величину напряжения постоянного тока, это требует дополнительных затрат на изоляционные материалы и значительно удорожает ЛЭП.
в контактной сети электротранспорта до 3000V,
в прокатных станах и других устройствах с тяжелыми условиями пуска электродвигателей до 1000V,
в сети грузоподъемных механизмов до 500V,
в различных приборах, переносных, бытовых, например, переносные фонари, магнитофоны, диагностические приборы различного назначения.
В условиях тяжелого запуска, когда большой пусковой момент (прокатные станы, электротранспорти т. д.) или требуется плавное регулирование скорости и пускового момента (тягового усилия) применяют двигатели постоянного тока
Этот вид тока чаще всего встречается в различных элементах питания: батарейках и аккумуляторах. Например, в компьютерах для питания микросхемы CMOS применяются батарейки напряженим 3V, в автомобилях аккумуляторы имеют напряжение 12V, в строительной технике — 24V.
Источник постоянного тока имеет две клеммы (разъёма): плюс (+) и минус (-) . Нажав на кнопку включения на схеме расположенной ниже, можно видеть как постоянный ток движется от плюсовой клеммы (+) через лампочку к минусовой (-).
Постоянный ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, движущихся в одном направлении.
По теории данные заряженные частицы относят к носителям тока. В проводниках и полупроводниках такими носителями являются электроны, в электролитах – заряженные ионы, в газах – электроны и ионы. Металлы характеризуются перемещением только электронов. Отсюда следует, что электрический ток в них – это движение электронов проводимости.
Результат прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих растворах заметно отличается. Наличие химических процессов в металлах при протекании тока отсутствует. В электролитах под воздействием тока происходит выделение ионов вещества на электродах. Различие заключается в отличии носителей зарядов металла и электролита. В металлах – это свободные электроны, отделившиеся от атомов, в растворах – ионы, атомы или их группы с зарядами.
Необходимые условия существования электрического тока
Первое необходимое условие существования электрического тока любого вещества – наличие носителей заряда.
Для равновесного состояния зарядов необходимо равнение нулю разности потенциалов между любыми точками проводника. При нарушении данного условия, заряд не сможет переместиться. Отсюда следует, что второе необходимое условие существования электрического тока в проводнике – создание напряжения между некоторыми точками.
Упорядоченное движение свободных зарядов, возникающее в проводнике как результат воздействия электрического поля, называют током проводимости.
Такое движение возможно при перемещении в пространстве заряженного проводника или диэлектрика. Подобный электрический ток получил название конвекционного.
Механизм осуществления постоянного тока
Для постоянного прохождения тока в проводнике следует подсоединить к проводнику или их совокупности устройство, в котором постоянно происходит процесс разделения электрических зарядов для поддержания напряжения в цепи. Данный механизм получил название источника тока (генератора).
Силы, разделяющие заряды, называют сторонними. Они характеризуются неэлектрическим происхождением, действуют внутри источника. При разделении зарядов сторонние силы способны создать разность потенциалов между концами цепи.
Если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил равняется нулю. Отсюда следует, что суммарная работа сил A , действующих на заряд, равна работе сторонних A s t . Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется как:
ε = A q ( 1 ) , где значение q подразумевает положительный заряд. Его движение происходит по замкнутому контуру. ЭДС – это не сила. Единица измерения ε = В .
Природа сторонних сил различна. В гальваническом элементе они являются результатом электрохимических процессов. В машине с постоянным током такой силой является сила Лоренца.
Основные характеристики электрического тока
Условно принято считать направление тока за направление движения положительных частиц. Отсюда следует, что направление тока в металлах характеризуется противоположным направлением относительно направления движения частиц.
Электрический ток обладает силой тока.
Сила тока I – скалярная величина, равняется производной от заряда q по времени для тока, который проходит через поверхность S :
Ток может быть постоянным и переменным. При неизменной силе тока с его направлением по времени ток называют постоянным, а выражение силы тока для него примет вид:
I = q t ( 3 ) , где сила тока рассматривается в качестве заряда, проходящего через поверхность S в единицу времени.
По системе С И основная единица измерения силы тока – Ампер ( А ) .
Плотность – это векторная локальная характеристика. Вектор плотности тока j → способен показывать, каким образом распределяется ток по сечению S . Его направление идет в сторону, куда движутся положительные заряды.
Значение вектора плотности тока по модулю равно:
j = d I d S ' ( 4 ) , где d S ' является проекцией элементарной поверхности d S на плоскость, перпендикулярную вектору плотности тока, d I – элементом силы, которая идет через поверхности d S и d S ' .
Представление плотности в металле возможно по формуле:
j → = - n 0 q e υ → ( 5 ) , где n 0 обозначается концентрацией электронов проводимости, q e = 1 , 6 · 10 - 19 К л – зарядом электрона, υ → – средней скоростью упорядоченного движения электронов. Если значение плотностей тока максимальное, то
Закон сохранения заряда
Основным физическим законом считается закон сохранения электрического заряда. При выборе произвольной замкнутой поверхности S , изображенной на рисунке 1 , ограничивающей объем V количество выходящего электричества в единицу времени ( 1 секунду) из объема V можно определить по формуле ∮ s j n d S . Такое же количество электричества выражается через заряд - ∂ q ∂ t , тогда получаем:
∂ q ∂ t = - ∮ S j n d S ( 6 ) , где j n считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности d S , при этом:
j n = j cos a ( 7 ) , где a является углом между направлением нормали к d S и вектором плотности тока. Уравнение ( 6 ) показывает частое употребление производной для того, чтобы сделать акцент на неподвижности поверхности S .
Выражение ( 6 ) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона примет вид:
∮ S j n d S = 0 ( 8 ) .
Найти формулу для того, чтобы рассчитать конвекционный ток при его возникновении в длинном цилиндре с радиусом сечения R и наличием его равномерной скорости движения υ , который заряжен по поверхности равномерно. Значение напряженности поля у поверхности цилиндра равняется E . Направление скорости движения вдоль оси цилиндра.
Решение
Основой решения задачи берется определение силы тока в виде:
I = d q d t ( 1 . 1 ) .
Из формулы ( 1 . 1 ) следует, что возможно нахождение элемента заряда, располагающегося на поверхности цилиндра.
Напряженность поля равномерно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению:
E = σ ε 0 ( 1 . 2 ) , где σ является поверхностной плотностью заряда, ε 0 = 8 , 85 · 10 - 12 К л Н · м 2 . Выразим σ из ( 1 . 2 ) , тогда:
σ = E · ε 0 ( 1 . 3 ) .
Связь поверхностной плотности заряда с элементарным зарядом выражается при помощи формулы:
d q d S = σ ( 1 . 4 ) .
Используя ( 1 . 3 ) , ( 1 . 4 ) , имеем:
d q = E · e 0 d S ( 1 . 5 ) .
Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры:
d S = 2 π · R d h ( 1 . 6 ) , где d h является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра примет вид:
d q = E · ε 0 · 2 h · R d h ( 1 . 7 ) .
Произведем подстановку из ( 1 . 7 ) в ( 1 . 1 ) :
I = d ( E · ε 0 · 2 π · Rdh ) d t = 2 πRε 0 E dh dt ( 1 . 8 ) .
Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:
d h d t = υ ( 1 . 9 ) .
I = 2 π R ε 0 E υ .
Ответ: конвективный ток I = 2 π R ε 0 E υ .
Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I = 1 + 3 t . Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t , изменяющегося от t 1 = 3 с до t 2 = 7 c . Каким должен быть постоянный электрический ток, чтобы за аналогичное время происходило то же значение заряда?
Решение
Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:
I = d q d t ( 2 . 1 ) .
Формула ( 2 . 1 ) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t 1 до t 2 возможно таким образом:
q = ∫ t 1 t 2 I d t ( 2 . 2 ) .
Произведем подстановку имеющегося по условию закона в ( 2 . 2 ) для получения:
q = ∫ t 1 t 2 ( 1 + 3 t ) d t = ∫ t 1 t 2 d t + ∫ t 1 t 2 3 t d t = t 2 - t 1 + 3 · t 2 2 t 1 t 2 = ( t 2 - t 1 ) + 3 2 t 2 2 - t 1 2 ( 2 . 3 ) .
q = 7 - 3 + 3 2 ( 7 2 - 3 2 ) = 4 + 3 2 · 40 = 64 ( К л ) .
Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:
I c o n s t = q t ( 2 . 3 ) , где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q .
Постоянный ток - общие понятия, определение, единица измерения, обозначение, параметры
Постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся по времени и по направлению. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. В том случае, если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление его считают противоположным направлению движения частиц.
Строго говоря, под "постоянным электрическим током" следовало бы понимать "электрический ток постоянный по величине", соответственно математическому понятию "постоянная величина". Но в электротехнику этот термин был введен в значении "электрического тока, постоянного по направлению и практически постоянного по величине".
Под "практически постоянным по величине электрическим током" понимают ток, изменения которого во времени столь незначительны по величине, что при рассмотрении явлений в электрической цепи, по которой проходит такой электрический ток, этими изменениями вполне можно пренебречь, а следовательно, можно не учитывать ни индуктивности, ни емкости электрической цепи.
Наиболее распространенные источники постоянного тока — гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки.
В электротехнике для получения постоянного тока используют контактные явления, химические процессы (первичные элементы и аккумуляторы), электромагнитное наведение (электромашинные генераторы). Широко применяется также выпрямление переменного тока или напряжения.
Из всех источников э. д. с. химические и термоэлектрические источники, а также так называемые униполярные машины являются идеальными источниками постоянного тока. Остальные устройства дают пульсирующий ток, который при помощи специальных устройств в большей или меньшей мере сглаживается, лишь приближаясь к идеальному постоянному току.
Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока.
Сила тока — это количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Если за время I через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества Q, то сила тока I=Q/ t
Единица измерения силы тока — ампер (А).
Плотность тока — это отношение силы тока I к площади поперечного сечения F проводника - I/F. (12)
Единица измерения плотности тока — ампер на квадратный миллиметр (А/мм 2 ).
В замкнутой электрической цепи постоянный ток возникает под действием источника электрической энергии, который создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов, измеряемую в вольтах (В).
Зависимость между разностью потенциалов (напряжением) на зажимах электрической цепи, сопротивлением и током в цепи выражается законом Ома . Согласно этому закону для участка однородной цепи сила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению I = U/R ,
где I — сила тока. A, U— напряжение на зажимах цепи В, R — сопротивление, Ом
Это самый важный электротехнический закон. Подробнее о нем смотрите здесь: Закон Ома для участка цепи
Работу, совершаемую электрическим током в единицу времени (секунду), называют мощностью и обозначают буквой Р. Эта величина характеризует интенсивность совершаемой током работы.
Мощность P=W/t= UI
Единица измерения мощности - ватт (Вт).
Выражение мощности электрического тока можно преобразовать, заменив на основании закона Ома напряжение U произведением IR. В результате получим три выражения мощности электрического тока P = UI= I 2 R= U 2 /R
Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока. Этот принцип используют при передаче электрической энергии на расстояния.
Ток, протекая по проводнику, выделяет теплоту и нагревает его. Количество теплоты Q, выделяющейся в проводнике определяют формулой Q = I 2 Rt.
Эту зависимость называют законом Джоуля - Ленца .
На основании законов Ома и Джоуля - Ленца можно проанализировать опасное явление, которое часто возникает при непосредственном соединении между собой проводников, подводящих электрический ток к нагрузке (электроприемнику). Это явление называют коротким замыканием , так как ток начинает протекать более коротким путем, минуя нагрузку. Такой режим является аварийным.
На рисунке приведена схема включения лампы накаливания E L в электрическую сеть. Если сопротивление лампы R — 500 Ом, а напряжение сети U = 220 В, то ток в цепи лампы будет I = 220/500 = 0,44 А.
Схема, поясняющая возникновение короткого замыкания
Рассмотрим случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, соединены через очень малое сопротивление ( R ст - 0,01 Ом), например толстый металлический стержень. В этом случае ток цепи, подходя к точке А, будет разветвляться по двум направлениям: большая его часть пойдет по пути с малым сопротивлением — по металлическому стержню, а небольшая часть тока I л.н — по пути с большим сопротивлением — лампе накаливания.
Определим ток, протекающий по металлическому стержню: I = 220/0,01 =22 000 А.
При коротком замыкании (к.з) напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большую потерю напряжения, и ток, протекающий по металлическому стержню, будет несколько меньше, но тем не менее во мною раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.
Как известно, в соответствии с законом Джоуля-Ленца ток, проходя по проводам, выделяет теплоту, и провода нагреваются. В нашем примере площадь поперечного сечения проводов рассчитана на небольшой ток 0,44 А.
При соединении проводов более коротким путем, минуя нагрузку, по цепи будет протекать очень большой ток - 22000 А. Такой ток вызовет выделение большого количества теплоты, что приведет к обугливанию и возгоранию изоляции, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактом выключателей, ножей рубильнике и т. п.
Источник электрической энергии, питающий такую цепь, может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар. Вследствие этого при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы предупредить непоправимые последствия короткого замыкания, необходимо соблюдать следующие условии: изоляция проводов должна соответствовать напряжению сети и условиям работы.
Площадь поперечною сечения проводов должна быть такой, чтобы нагревание их при нормальной нагрузке не достигало опасного значения. Места соединений и ответвлений проводов должны быть качественно выполнены и хорошо изолированы. В помещении провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от механических и химических повреждений и от сырости.
Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, ее защищают с помощью предохранителей или автоматических выключателей.
Существенный недостаток постоянного тока состоит в том, что его напряжение сложно повысить. Это затрудняет передачу электрической энергии на постоянном токе на большие расстояния.
Читайте также: