Электрический ток (2)

метки: Электрический, Мощность, Работа, Переменный, Проводник, Единица, Напряжение, Источник

Электри́ческий ток — направленное движение заряженных частиц под воздействиемэлектрического поля ^[1] . Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, вэлектролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки(электронно-дырочная проводимость).

При изучении электрического тока, было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие — электроэнергетика.

В медицине электрический ток используют в реанимации, электростимуляции определённых областей головного мозга. Электрические разряды применяются для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, также дляэлектрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

1.Основные характеристики:

1. Сила тока — I, единица измерения — 1 А (Ампер).

Силой тока называется величина, равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

I = Dq/Dt . (1)

Формула (1) справедлива для постоянного тока, при котором сила тока и его направление не изменяются со временем. Если сила тока и его направление изменяются со временем, то такой ток называется переменным.

Для переменного тока:

I = lim Dq/Dt , (*)

Dt — 0

т.е. I = q’, где q’ — производная от заряда по времени.

2. Плотность тока — j, единица измерения — 1 А/м ² .

Плотностью тока называется величина, равная силе тока, протека-ющего через единичное поперечное сечение проводника:

j = I/S . (2)

3. Электродвижущая сила источника тока — э.д.с. ( e ), единица измерения — 1 В (Вольт).

Э.д.с.- физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:

Сила (физическая величина)

... этом основано измерение величины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна . Второй закон Ньютона позволяет измерять величину силы. Например, ... же вектором . В физике эти векторы называются свободными векторами.В механике чрезвычайно распространено представление о ... энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы , и потому применение к ним термина «сила» объясняется берущей ...

e = А _ст. /q . (3)

4. Сопротивление проводника — R, единица измерения — 1 Ом.

Под действием электрического поля в вакууме свободные заряды двигались бы ускоренно. В веществе они движутся в среднем равномерно, т.к. часть энергии отдают частицам вещества при столкновениях.

Теория утверждает, что энергия упорядоченного движения зарядов рассеивается на искажениях кристаллической решетки. Исходя из природы электрического сопротивления, следует, что

R = r*l/S , (4)

где

l — длина проводника,

S — площадь поперечного сечения,

r — коэффициент пропорциональности, названный удельным сопротивлением материала.

Эта формула хорошо подтверждается на опыте.

Взаимодействие частиц проводника с движущимися в токе зарядами зависит от хаотического движения частиц, т.е. от температуры проводника. Известно, что

r = r ₀ (1 + a t) , (5)

R = R ₀ (1 + a t) . (6).

Коэффициент a называется температурным коэффициентом сопротив-ления:

a = (R — R ₀ )/R₀ *t .

Для химически чистых металлов a > 0 и равно 1/273 К ^-1 . Для сплавов температурные коэффициенты имеют меньшее значение. Зависимость r(t) для металлов линейная:

В 1911 году открыто явление сверхпроводимо сти, заключающееся в том, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов падает скачком до нуля.

У некоторых веществ (например, у электролитов и полупроводников) удельное сопротивление с ростом температуры уменьшается, что объясняется ростом концентрации свободных зарядов.

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью s

s = 1/r . (7)

5. Напряжение — U , единица измерения — 1 В.

Напряжение — физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними и электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда.

U = (A _ст. + А_эл. )/q . (8)

Так как А _ст. /q = e, а А_эл. /q = f₁ -f₂ , то

U = e + (f ₁ — f₂ ) . (9)

2. Законы постоянного тока

Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников.

Последовательное и параллельное соединение проводников.

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

Работа и мощность тока.

Всякое движение электрических зарядов называют электрическим током. В металлах могут свободно перемещаться электроны, в проводящих растворах — ионы, в газах могут существовать в подвижном состоянии и электроны, и ионы.

Условно за направление тока считают направление движения положительных частиц, поэтому в металлах это направление противоположно направлению движения электронов.

Плотность тока — величина заряда, проходящего в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к линиям тока. Эта величина обозначается j и рассчитывается следующим образом:

j=nev.

Здесь n — концентация заряженных частиц, e — заряд каждой из частиц, v — их скорость.

Сила тока i — величина заряда, проходящего в единицу времени через полное сечение проводника. Если за время dt через полное сечение проводника прошел заряд dq, то

Электрический ток

... гектоватты и пр. Для того чтобы замерить мощность цепи, нужно взять ваттметр. Электротехники работу тока выражают в киловатт-часах (кВтч). Основные законы электрического тока Закон Ома Итак, что же такое сопротивление провода или цепи ...

i=(dq)/(dt).

По другому, сила тока находится интегрированием плотности тока по всей поверхности любого сечения проводника. Единица измерения силы тока — Ампер. Если состояние проводника (его температура и др.) стабильно, то между приложенным к его концам напряжением и возникающим при этом током существует однозначная связь. Она называется Закон Ома и записывается так:

I=U/R.

R — электрическое сопротивление проводника, зависящее от рода вещества и от его геометрических размеров. Единичным сопротивлением обладает проводник, в котором возникает ток 1 А при напряжении 1 В. Эта единица сопротивления называется Ом.

Закон Ома в дифференциальной форме:

j=sE,

где j — плотность тока, Е — напряженность поля, s — проводимость. В этой записи закон Ома содержит величины, характеризующие состояние поля в одной и той же точке.

Различают последовательное и параллельное соединения проводников.

При последовательном соединении ток, протекающий по всем участкам цепи, одинаков, а напряжение на концах цепи складывается как алгебраическая сумма напряжений на всех участках.

R=S(Ri).

При параллельном соединении проводников постоянным остается напряжение, а ток складывается из суммы токов, протекающих по всем ветвям. В этом случае складываются величины, обратные сопротивлению:

1/R=S(1/Ri).

Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи должны действовать силы, отличные от сил электростатического поля; их называют сторонними силами.

Если рассматривать полную электрическую цепь, необходимо включить в нее действие этих сторонних сил и внутренне сопротивление источника тока r. В этом случае закон Ома для полной цепи примет вид:

I=E/(R+r).

Е — электродвижущая сила (ЭДС) источника. Она измеряется в тех же единицах, что и напряжение. Величину (R+r) называют иногда полным сопротивлением цепи.

Сформулируем правила Киркгофа:

Первое правило: алгебраическая сумма сил токов в участках цепи, сходящихся в одной точке разветвления, равна нулю.

Второе правило: для любого замкнутого контура сумма всех падений напряжения равна сумме всех ЭДС в этом контуре.

Мощность тока рассчитывается по формуле

P=UI=I ² R=U² /R.

Закон Джоуля-Ленца. Работа электрического тока (тепловое действие тока) A=Q=UIt=I ² Rt=U² t/R.

3. Измерение силы тока с помощью приборов

На практике для измерения силы тока используется специальный прибор, его называют амперметр (для приборов, которые предназначены для измерения в проводниках малых токов, используются более чувствительные приборы, такие как миллиамперметры, микроамперметры, гальванометры).

Такие приборы подключают последовательно к тому участку цепи, в котором необходимо измерить силу тока. Как уже отмечалось выше, за единицу силы тока принят 1 ампер (1 А).

Что же представляет собой эта единица измерения?

За 1 ампер принимается сила такого тока, который проходя по двум прямым параллельным проводникам, которые имеют бесконечную длину и малый диаметр и расположены в вакууме в 1 метре друг от друга, вызывает силу взаимодействия на участке проводника в 1 метр, равную 0,0000002 H.

Мы уже привыкли, что единицы измерения тех или иных физических величин получили свои названия в честь великих ученых, и Ампер не исключение. Ему присвоено имя французского физика и математика Андре-Мари Ампера.

Этот ученый немало потрудился на благо науки, к примеру, именно он ввел такие понятия, как электродинамика, электростатика, соленоид, напряжение, ЭДС, гальванометр, электрический ток и т. п. Кроме того Ампер открыл такое явление, как механическое взаимодействие между проводниками с током, а также правило определения направления в нем электрического тока. Вот собственно и все.

Простейшим источником постоянного тока является химический источник (гальванический элемент или аккумулятор), поскольку полярность такого источника не может самопроизвольно измениться.

Для получения постоянного тока используют также электрические машины — генераторы постоянного тока.

В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения пульсирующего тока используют выпрямитель. Далее для уменьшения пульсаций может быть использован сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор напряжения.

Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток).

На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.

В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.

Машины постоянного тока

Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора (индуктора) с полюсами и вращающегося ротора (якоря) с коллектором. Статор является источником магнитного поля и механическим остовом машины, якорь- часть машины, в обмотке которой индуцируется э. д. с.

На одном валу с якорем жестко закрепляется коллектор, электрически соединенный с его обмоткой. Коллектор — характерная деталь машины постоянного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях на траверсе и электрически соединенные с внешней цепью. Во избежание искрения щетки тщательно притираются к коллектору, а их умеренный нажим должен быть отрегулирован.

Принцип действия машин постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции и законе Ампера. Магнитное поле машины создается постоянным током (током возбуждения) в обмотке полюсов или постоянными магнитами в машинах малой мощности. Его силовые линии замыкаются через стальные станину, сердечники полюсов и сердечник якоря, дважды преодолевая на своем пути воздушный зазор между ними. Магнитная цепь четырехполюсной машины постоянного тока разветвленная, симметричная. Плоскость, проходящую через ось машины под углом а, при котором она перпендикулярна к силовым линиям, называют геометрической нейтралью (при а. = 0 и 772).

Существует два режима работы эл. двигателей

а: режим генератора

б: режим двигателя

В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в электрическую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток возбуждения, а якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии полюсов и в них индуцируются э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим выпрямителем, эти переменные пульсирующие э. д. с. суммируются в постоянную по значению и направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I.