Основные понятия электричество: Электричество. Основные понятия

Содержание

Электричество. Основные понятия

2013-05-13 Теория  

В этой статье предлагаю вам вспомнить базовые понятия в электрике, без которых любая работа, связанная с электричеством становится проблематичной.

Итак, любая электрическая цепь представляет собой совокупность различных устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. Простейшая электрическая цепь может состоять из источника энергии, нагрузки и проводников.

Простейшая электрическая цепь

Проводники — вещества, проводящие электрический ток. Они обладают малым удельным сопротивлением( т.е оказывают наименьшее сопротивление прохождению тока) и способны проводить электрический ток практически без потерь. Лучшими проводниками являются золото, серебро, медь и алюминий. Наибольшее распространение, вследствии дороговизны золота и серебра, получили медь и алюминий. Медь наиболее часто встречающийся проводник, в отличии от алюминия, обладающий большей устойчивостью к окислению и физическим воздействиям: изгибу, скручеванию. Недостатком меди, по сравнению с алюминием, является более высокая стоимость.

Помимо проводников существуют также диэлектрики — вещества которые обладают большим удельным сопротивлением электрическому току (т.е являются непроводящими электрический ток). К ним относятся пластмассы, дерево, текстолит и т.д

Также надо отметить и еще один тип — полупроводники. По своему удельному сопротивлению они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. К числу полупроводников относятся многие химические элементы, но наибольшее распространение получили кремний и германий.

Источник энергии — это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую и другие виды энергии в электрическую.

Нагрузка — потребитель электрической энергии, т.е любой электроприбор, который преобразовывает электрическую энергию в механическую, тепловую, химическую и т.д

Прохождение электрического тока возможно только при замкнутой цепи.

Электрическим током в электротехнике называют направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля, создаваемого источником питания. Величина, характеризующая ток называется сила тока. Сила тока измеряется в Амперах и обозначается буквой А. Различают постоянный и переменный токи.

Постоянный ток ( DC, по-английски Direct Current) — это ток, свойства которого  и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Обозначение постоянного тока

Переменный ток (AC по-английски Alternating Current) — это ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах обозначается отрезком синусоиды « ~ ». Основными параметрами переменного тока являются период, амплитуда и частота.

Обозначение переменного тока

 

Период — промежуток времени, в течение которого ток совершает одно полное колебание.

Частота — величина, обратная периоду, число периодов в секунду, измеряется в герцах (Гц).

Ток и напряжение в нагрузке увеличиваются и уменьшаются, а разница между минимальным и максимальным их значением называется амплитудой.

график переменного тока

Измерение тока проводится амперметром, который подключается последовательно нагрузке.

Любой проводник в цепи, в зависимости от сечения, длины, материала, оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока называют сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом).

Разность потенциалов на концах источника питания называется напряжением. Напряжение измеряют в Вольтах и обозначают буквой

В (V). В трехфазной электрической сети различают такие понятия, как линейное и фазное напряжения. Линейное напряжение ( или иначе межфазное) — это напряжение между двумя фазными проводами (380V). Фазное напряжение — это напряжение между нулевым проводом и одним из фазных (220V). Измеряется напряжение вольтметром, который подключается параллельно нагрузке.

Еще одним важным понятием в электротехнике является понятие мощности. Мощность источника характеризует скорость передачи или преобразования электроэнергии. Мощность измеряется в Ваттах (Вт, W).

Суммарная мощность всех подключенных потребителей равна сумме потребляемых мощностей каждым потребителем. Робщ = Р1+Р2+…Рn

Различают понятия активной и реактивной мощности. P – активная мощность (эффективная), связана с той электрической энергией, которая может быть преобразована в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую и др., измеряется в ваттах (Вт), представляет собой полезную мощность, которую можно использовать для выполнения работы.

P = IUcosф – для однофазной цепи, P = √3IUcosф – для трехфазной цепи, P = U*I — в цепи, где есть только активное сопротивление.

Q – реактивная мощность, связана с обменом электрической энергией между источником и потребителем, измеряется в вольт-амперах реактивных (вар), когда среднее значение мощности за период равно нулю, активная мощность равна нулю, энергия накопленная магнитным полем индуктивности, возвращается назад к источнику, ток в цепи не совершает работы, реактивный ток бесполезно загружает источники энергии и провода линии передач. Источниками реактивной энергии могут являться элементы, обладающие индуктивностью — электродвигатели, трансформаторы. Для того, чтобы уменьшить реактивную мощность на зажимах потребителей подключают конденсаторы (последовательно или параллельно).

Q = IUsinф – для однофазной цепи, Q = √3IUsinф – для трехфазной цепи

Сдвиг по фазе между током и напряжением обозначается углом φ. Коэффициент мощности — это соотношение активной мощности к полной, величина cosф равная углу сдвига фаз между напряжением и током. Чем выше cos φ, тем меньше тока требуется для преобразования электроэнергии в другие виды энергии. Это приводит к уменьшению потерь электроэнергии, ее экономии.

На этом пока все, а в следующей части познакомимся с основными законами электротехники, которые необходимо знать любому человеку, связанному с электричеством.

Что такое электрический ток: основные понятия и характеристики

Электрический ток – это движение заряженных частиц в определенном направлении. Происходит подобное явление под влиянием поля. Частицами являются электроны, которые двигаются по проводнику и ионы, передвигающиеся в электролитной среде. Ионы бывают анионами и катионами. Проявляется ток в следующем:

  • нагрев проводника по которому он протекает, кроме сверхпроводников;
  • меняется химический состав, например, такое явление как электролиз;
  • появление магнитного поля. Ток считается направленным движением заряда с токопроводящей среде.

В статье будет рассказано все о таком  явлении, как ток. Подробнее будет рассказано об этом в двух видеороликах.

Электрический ток в проводах

Электрический ток в проводах

Классификация

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционный ток. Различают переменный (англ. alternating current, AC), постоянный (англ. direct current, DC) и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают. Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.

Переменный ток — ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону.

Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.

Электрические разряды

Электрические разряды

В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал).

В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

электрический ток и его единицы измерения

Таблица электрический ток и его единицы измерения.

Квазистационарный ток

Это «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Что такое электрический ток, виды и условия его существования

Переменный ток высокой частоты — ток, в котором условие квазистационарности уже не выполняется, ток проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.

Пульсирующий ток

Ток, у которого изменяется только величина, а направление остаётся постоянным.

Вихревые токи (токи Фуко)

Замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Вихревой ток

Вихревой ток

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока.

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов.

П

Что такое электрический ток, виды и условия его существования

ри очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Характеристики

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц. Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света.

Интересно почитать! Что такое варистор и где его применяют.

За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Разряд молнии - пример природного электричества

Разряд молнии – пример природного электричества

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

электрический ток в средах

Таблица электрический ток в различных средах.

  • Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.
  • Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.
  • Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Передача тока по проводам

Передача тока по проводам

Что такое ток, напряжение и сопротивление

Электрический ток ( I ) – это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая приходит в голову из школьного курса физики – движение электронов. Безусловно. Однако электрический заряд могут переносить не только они, а, например, еще ионы, определяющие возникновение электрического тока в жидкостях и газах. Хочу предостеречь также от сравнения тока с протеканием воды по шлангу. (Хотя при рассмотрении Закона Кирхгофа такая аналогия будет уместна). Если каждая конкретная частица воды проделывает путь от начала до конца, то носитель электрического тока так не поступает.

Материал по теме: Что такое реле контроля.

Если уж нужна наглядность, то я бы привел пример переполненного автобуса, когда на остановке некто, втискиваясь в заднюю дверь, становится причиной выпадения из передней менее удачливого пассажира. Условиями возникновения и существования электрического тока являются:

  • Наличие свободных носителей заряда
  • Наличие электрического поля, создающего и поддерживающего ток.

Будем считать, что теперь про электрический ток Вы знаете все. Это, конечно, шутка. Тем более что еще ничего не сказано про электрическое поле, которое у многих ассоциируется с напряжением, что не верно. Электрическое поле – это вид материи, существующей вокруг электрически заряженных тел и оказывающее на них силовое воздействие. Опять же, обращаясь к знакомому со школы “одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются” можно представить электрическое поле как нечто это воздействие передающее.

Что такое электрический ток, виды и условия его существования

Это поле, равно как любое другое непосредственно ощутить нельзя, но существует его количественная характеристика – напряженность электрического поля.

Существует множество формул, описывающих взаимосвязь электрического поля с другими электрическими величинами и параметрами. Я ограничусь одной, сведенной к примитиву: E=Δφ. Здесь:

  • E – напряженность электрического поля. Вообще это величина векторная, но я упростил все до скаляра.
  • Δφ=φ1-φ2 – разность потенциалов (рисунок 1).

Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо каким либо образом создать. Хорошо знакомые опыты электризации расчески, натирания тканью эбонитовой палочки, верчения ручки электростатической машины по вполне очевидным причинам на практике неприемлимы.

Электролиз в домашних условиях

Электролиз в домашних условиях

Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечивать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одно из них – хорошо всем известная батарейка), получившие название источник электродвижущей силы (ЭДС), которая обозначается так: ε. Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают сторонние силы, перемещая единичный заряд, но для того, чтобы получить первоначальное понятие что такое электрический ток, напряжение и сопротивление нам не нужно подробное рассмотрение этих процессов в интегральной и иных не менее сложных формах.

Напряжение ( U )

Наотрез отказываюсь продолжать заморачивать Вам голову сугубо теоретическими выкладками и даю определение напряжения как разности потенциалов на участке цепи: U=Δφ=φ1-φ2, а для замкнутой цепи будем считать напряжение равным ЭДС источника тока: U=ε. Это не совсем корректно, но на практике вполне достаточно. Сопротивление ( R ) – название говорит само за себя – физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Формула, определяющая зависимость напряжения, тока и сопротивления называется закон Ома. Этот закон рассматривается на отдельной странице этого раздела.

Кроме того, сопротивление зависит от ряда факторов, например, материала проводника. Данные эти справочные, приводятся в виде значения удельного сопротивления ρ, определяемого как сопротивление 1 метра проводника/сечение. Чем меньше удельное сопротивление, тем меньше потери тока в проводнике.

Источники электрической энергии

Источники электрической энергии

Соответственно сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S, будет составлять R=ρ*L/S. Непосредственно из приведенной формулы видно, что сопротивление проводника также зависит от его длины и сечения. Температура тоже оказывает влияние на сопротивление. Несколько слов про единицы измерения тока, напряжения, сопротивления. Основные единицы измерения этих величин следующие:

  • Ток – Ампер (А)
  • Напряжение – Вольт (В)
  • Сопротивление – Ом (Ом).

Это единицы измерения интернациональной системы (СИ) не всегда удобны. На практике применяются из производные (милиампер, килоом и пр.). При расчетах следует учитывать размерность всех величин, содержащихся в формуле. Так, если Вы, в законе Ома умножите ампер на килоом, то напряжение получите совсем не вольтах.

Интересно по теме: Как проверить стабилитрон.

Терминология

Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток. Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.

Переменное магнитное поле

Переменное магнитное поле

В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.

Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод. Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током. Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы. Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.

Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.

Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой). В электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.

Магнитное поле от электрического разряда

Магнитное поле от электрического разряда

Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного. Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.

Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.

Что такое электрический ток, виды и условия его существования

Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля. Смотрите – условия существования электрического тока. В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение «свободных» электронов, причем электроны движутся в направлении, противоположном условному направлению тока (т. к. за направление тока условно принято направления движения зарядов).

Электрический ток  в газах представляет собой движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) в другом направлении. Наконец, электрический ток в электролитах представляет собой движение существующих в жидкости положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях. Сила электрического тока — количество электричества, прошедшее через все поперечное сечение тока за 1 сек., зависит, с одной стороны, от количества движущихся зарядов, а с другой — от средней скорости их регулярного движения. В металлических проводниках количество движущихся зарядов (свободных электронов) чрезвычайно велико (порядка 1023 в 1 см3), но зато средняя скорость регулярного движения очень мала (при самых сильных токах, которые может выдержать проводник, эта средняя скорость имеет величину порядка сантиметра в секунду). Обычно несколько меньше количество движущихся зарядов в жидкостях и соответственно их средние скорости несколько больше.

В газах же вследствие их гораздо меньшей плотности и вследствие того, что только небольшая доля всех молекул газа оказывается ионизированной, количество движущихся зарядов гораздо меньше, но зато средние скорости движения электронов и ионов гораздо больше, чем в металлических проводниках, и достигают сотен и даже тысяч километров в секунду. Понятие “электрический ток” ввел итальянский физик Алессандро Вольта. Электрический ток, или по его версии “электрический флюид” протекал в замкнутой цепи, соединяющей металлическим проводником крайние кружки вольтова столба.

“Вотльтов столб” (1800 г.) был первый источник электричества неэлектростатического типа (источник постоянного электрического тока), который состоял из чередующихся между собой медных и цинковых кружков, разделенных суконными прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой. Существование неизменного высокого потенциала на вольтовом столбе было явлением для того времени совершенно новым. Это был первый химический источник электричества, потенциал которого был постоянен во времени и не требовал каких-либо приемов электризации для его возобновления.

Вольтов столб, составленный из большого количества кружков, имел на концах достаточно высокий потенциал, который можно было обнаружить не только измерительными приборами (в частности электроскопом), но и прикоснувшись к крайним кружкам руками. При этом ощущался сильный электрический удар, как от лейденской банки.  Открытие Вольты очень быстро распространилось в физике, стало предметом дальнейших исследований. В 1800 г. ученые-физики с помощью вольтова столба обнаружили электрохимическое действие тока, и в частности разложение под действием тока воды на кислород и водород. Опыты с гальваническими элементами позволили обнаружить, кроме химических, и другие новые свойства тока, в том числе его тепловое и магнитное действие.

Важное по теме. Как проверить конденсатор.

Французский физик А. М. Ампер посвятил ряд своих работ изучению связи электрического тока и магнетизма. Он обнаружил, что два проводника с током испытывают взаимное воздействие — притяжение или отталкивание в зависимости от направления в них токов. Своими работами он заложил основы электродинамики. Он предложил термин “электрический ток” и ввел понятие о его направлении, совпадающем с движением положительного электричества. В честь А. М. Ампера названа единица измерения электрического тока.  Ампер является одной из семи основных единиц системы СИ.

Электрический ток обладает рядом свойств, которые могут быть эффективно использованы во многих практических случаях. К таким свойствам относятся трансформация простыми техническими средствами энергии электрического тока в энергию других видов (тепловую, световую, механическую, химическую) и возможность передачи ее на большие расстояния, быстрота распространения.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о том, что такое ток, рассказано в статье Что такое электрический ток. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хотелось бы выразить благодарность источникам информации для подготовки материала:

www.electricalschool.info

www.electrik.info

www.elektal.com.ua

www.allatra-science.org

www.eltechbook.ru

www.meanders.ru

Предыдущая

ТеорияЗаконы Кирхгофа простыми словами: определение для электрической цепи

Следующая

ТеорияКак работает выпрямитель напряжения

Электричество. Теория и основные понятия.

 Электричество. Теория и основные понятия.

 Электрический ток.
Определение:
Электрическим током (он обычно обозначается буквой I) в случае электропроводки называется направленное движение электронов в проводах электропроводки и внутри включенных электроприборов.

Напомним, что все окружающие нас вещества состоят из атомов, в которых отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительно заряженных ядер. В электротехнике находят применение вещества, обладающие различной концентрацией электронов и, соответственно, различной электропроводностью (проводники и диэлектрики).

  Сопротивление проводников

Поступательное движение электронов, дрейфующих по металлическому проводнику, тормозится вследствие столкновения их с ионами атомов проводника. Частота столкновений зависит от структуры материала и его температуры.

Определение:

Возникающее при столкновениях противодействие проводника направленному движению электронов (электрическому току), называется электрическим сопротивлением проводника и обозначается буквой R (или г).

Сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления материала, из которого он изготовлен.

Определение: Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и поперечным сечением 1 мм2, с увеличением температуры удельное сопротивление металлов возрастает.

Мощность, выделяемая при прохождении тока
Для оценки энергетических возможностей выполнения работы в электрической цепи используется формула:

Р = UI = PR = U2/R, где Р — мощность, выделяемая при прохождении электрического тока (I) через сопротивление (R), между концами которого существует разность потенциалов (U).

Практически используется то или другое из представленных выражений для мощности в зависимости от условий расчетов.

Единицы измерения основных электрических величин

Ампер. Основной электрической единицей тока в Международной системе единиц (СИ), является ампер (А).  В амперах измеряется также магнитодвижущая сила и разность магнитных потенциалов.

Современное определение ампера было предложено Международным комитетом мер и весов в 1946 году и принято IX Генеральной конференцией по мерам и весам в 1948 году.

Определение:

Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10−7 ньютона.


Ом (обозначение: Ом, Ω) — единица измерения электрического сопротивления в Международной системе единиц (СИ).
 Ом равен электрическому сопротивлению проводника, между концами которого возникает напряжение 1 вольт при силе постоянного тока 1 ампер.

Вольт (русское обозначение: В; международное: V) — в Международной системе единиц (СИ) единица измерения электрического потенциала, разности потенциалов, электрического напряжения и электродвижущей силы.

Разность потенциалов между двумя точками равна 1 вольту, если для перемещения заряда величиной 1 кулон из одной точки в другую над ним надо совершить работу величиной 1 джоуль. Вольт также равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт.

Ватт (русское обозначение: Вт, международное: W) — единица измерения мощности в Международной системе единиц (СИ).
Определение:
1 ватт определяется как мощность, при которой за 1 секунду времени совершается работа в 1 джоуль. Таким образом, ватт является производной единицей измерения и связан с другими единицами СИ следующими соотношениями:

    Вт = Дж / с = кг·м²/с³
    Вт = H·м/с
    Вт = В·А
 Для измерения больших мощностей применяют кратные единицы: киловатт (1 кВт = 1000 Вт) и мегаватт (1 МВт = 1 ООО ООО Вт = 1-106 Вт).

Прибор, измеряющий мощность, называется ваттметр. Он имеет две измерительные цепи (две катушки), одна из которых (катушка тока) включается как амперметр последовательно с объектом измерения, а вторая (катушка напряжения) подключается к этому объекту параллельно как вольтметр.

Джоуль, киловатт-час. Так как основная единица работы и энергии в системе СИ — джоуль (Дж) сама по себе мала, то в электроэнергетических цепях практической единицей для измерения работы, совершаемой электрическим током, обычно служит более крупная единица — киловатт-час (кВт-ч).
Определение:
 1 кВт-ч — работа, совершаемая током при непрерывном протекании его в течение одного часа с выделением на протяжении этого времени мощности 1 кВт. Следовательно, 1 кВт-ч = 3 600 ООО Дж.

Основные законы электричества | РоботоТехника Ардуино

Основной закон электричества ► Закона Ома. Без его понятия невозможно дальнейшее изучение и понимание электронных схем и сборке устройств на Ардуино.

Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин ввел английский ученный Уильям Гилберт в 1600 году. Ток возникает в результате целенаправленного движения заряженных частиц под воздействием электрического поля. Электрический ток может свободно передаваться через материалы, называемых проводниками.

Понятия: электричество, ток, напряжение

Первый материальный носитель электричества – электрон, открыл Джозеф Томсон в 1897 году. Электрон – это элементарная частица, которая имеет отрицательный заряд, благодаря электронам возможны электрические процессы в веществах. Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – напряжение.

Одна и та же электрическая схема, изображена в двух вариацияхОдна и та же электрическая схема, изображена в двух вариацияхОдна и та же электрическая схема, изображена в двух вариациях — рисованная и принципиальная

Электрический ток – это  направленное движение заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы, переносящие электрические заряды, есть не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается также греческой буквой омега Ω), в формулах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивление зависит от материала, сечения и длины проводника. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

Основной закон электричества

Без знания и понимания основного закона электричества — Закона Ома, невозможно дальнейшее изучение и понимание электронных схем и устройств. Безусловно, электрический ток, напряжение и сопротивление связаны между собой. А взаимосвязь между ними описывается законом Ома. Для понимания формулы закона Ома для участка цепи, ее можно представить в виде треугольника (смотри фото ниже).

Закон Ома — главный закон электричества

Главный электрический закон – закон Ома для участка цепиГлавный электрический закон – закон Ома для участка цепиГлавный электрический закон – закон Ома для участка цепи

Закон Ома: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи».

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжениюСила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжениюСила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению

На иллюстрации видно, что человечек «Вольт» (напряжение) толкает через проводник человечка «Ампера» (ток). При этом человечек «Ом» (сопротивление) стягивает проводник, мешая прохождению тока. Получается, что чем сильнее сопротивление сжимает проводник, тем тяжелее проходить току («сила тока обратно пропорциональна сопротивлению»). При этом, чем сильнее напряжение, тем больше сила тока на участке.

Последовательное и параллельное соединение

При последовательном подключении потребителей электроэнергии, например ламп накаливания или резисторов, сила тока в каждом потребителе одинаковая, а напряжение будет будет падать (снижаться) на каждом из потребителей. При последовательном соединении сопротивления всех потребителей складываются.

При последовательном соединении сопротивления потребителей складываютсяПри последовательном соединении сопротивления потребителей складываютсяПри последовательном соединении сопротивления складываются

Последовательное соединение резисторов используют в делителе напряжения. При параллельном подключении потребителей электроэнергии, к каждому потребителю прикладывается одинаковое напряжение, а сила тока в каждом из потребителей будет отличаться. Каждый потребляет ток в соответствии с собственным сопротивлением.

Общее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителейОбщее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителейОбщее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителей

Подавляющее количество электроэнергии сегодня производится на электростанциях (атомные, тепловые, гидроэлектростанции), вырабатывающих электроэнергию с помощью генераторов и передают ее по линиям электропередач на большие расстояния. В качестве альтернативных источников энергии все больше используют возобновляемые источники — энергию солнца, ветра, приливов и отливов и т.д.

1) Основные понятия и величины, характеризующие электрические цепи

а) Понятия:

Электрической цепьюназывается совокуп­ность устройств, предназначаемых для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в ко­торых могут быть описаны с помощью понятий напря­жения и тока. В общем случае электрическая цепь со­стоит из источников и приемников электрической энергии и промежуточных звеньев (проводов, аппаратов), связы­вающих источники с приемниками.

Источниками электрической энергииявляются устройства (гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлемен­ты, генераторы), в которых происхо­дит процесс преобразования химической, молекулярно-кинетической, тепловой, механической или другого вида энергии в электрическую.

Приемниками электрической энергии (нагрузкой),служат устройства (электрические лампы, электронагревательные приборы, электрические двига­тели, резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки), в которых электрическая энер­гия превращается в световую, тепловую, механическую и др.

б) Величины:

Электрический ток и напряжение являются основны­ми величинами, характеризующими состояние электрических цепей.

Электрический токв проводниках представляет явление упорядоченного движения электрических зарядов. Под терми­ном «ток» понимают также интенсивность или силу тока, измеряемую количеством электрического зарядаq, прошед­шего через, поперечное сечение проводника в единицу вре­мени:

Следовательно, ток представляет собой скорость изменения заряда во времени. В СИ заряд выражается в кулонах (Кл), время—в секундах (с), ток — в амперах (А).

Ток как отношение двух скалярных величин является скалярной алгебраической величиной, знак которой зависит от направления движения зарядов одного знака, а именно условно принятого положительного заряда. Для однозначного опреде­ления знака тока за положительное направление достаточно произвольно выбрать одно из двух возможных направлений, которое отмечают стрелкой.

Если движение поло­жительного заряда происходит в направлении стрелки, а движение отрицательного заряда—навстречу ей, то ток поло­жителен. При изменении направления движения зарядов на противоположный ток будет отрицательным.

Задать однозначно ток в виде некоторой функции времени можно только после указания выбранного положительного направления тока. Поэтому перед началом анализа на всех участках цепи необходимо отметить положительные направления токов, выбор которых может быть произвольным.

Прохождение электрического тока или перенос зарядов в цепи связаны с преобра­зованием или потреблением энергии. Для определения энергии, затрачиваемой на перемещение заряда между двумя рассмат­риваемыми точками проводника, вводят новую величину—напряжение.

Напряжением называют количество энергии, затрачи­ваемой на перемещение единицы заряда из одной точки в другую:, гдеw—энергия.

При измерении энергии в джоулях (Дж) и заряда в кулонах (Кл) напряжение выражают в вольтах (В).

Напряжение как отношение двух скалярных величин также является скалярной алгебраической величиной. Для однознач­ного определения знака напряжения между двумя выводами рассматриваемого участка цепи одному из выводов условно приписывают положительную полярность, которую отмечают либо стрелкой, направленной от вывода, либо знаками « + »,«—

Напряжение положительно, если его поляр­ность совпадает с выбранной; это означает, что потенциал вывода со знаком « + », из которого выходит стрелка, выше потенциала второго вывода.

Перед началом анализа должны быть указаны выбранные положительные полярности напряжений — только при этом условии возможно однозначное определение напряжений.

Хотя условно положительную полярность напряжения можно выбирать произвольно, обычно удобно выбирать ее согласованной с выбранным положительным направлением тока, когда стрелки для тока и напряжения совпадают или знак « + » полярности напряжения находится в хвосте стрелки, обозначающей положительное направление тока. При согласо­ванном выборе полярности, очевидно, достаточно ограничиться указанием только одной стрелки положительного направления тока.

Если возникает необходимость выбора положительной по­лярности напряжения, не согласованной с положительным направлением тока, то приходится указывать две встречно направленные стрелки: для тока и для напряжения. Это не очень удобно. Поэтому для обозначения условно положитель­ной полярности будем применять знаки «+.», « —» у выводов участка цепи.

Из определения напряжения (1) получаем выражение энергии,затраченной на перемещение зарядаq на участке цепи с напряжениеми к моменту времениt.

. Здесь суммируются все энергетические процессы при действии напряжения, начиная от t = — ∞, где энергия прини­мается равной нулю, до рассматриваемого момента. Диффе­ренцирование этого равенства по времени дает выражение скорости изменения энергии во времени, т. е. мощности, выражаемой в ваттах:

Мощностьв электрической цепи, равная произведению напряжения на ток, также является алгебраической величиной. Знак ее определяется знаками напряжения и тока: при совпаде­нии этих знаков мощность положительна, что соответствует потреблению энергии в рассматриваемом участке цепи; при несовпадении знаков напряжения и тока мощность отрица­тельна, что означает отдачу ее из участка цепи (такой участок является источником энергии).

Основные понятия (MCQ с пояснительными ответами)

[no_toc] Основные понятия (основы электрооборудования) MCQ с пояснительными ответами

1. Что такое три основные электрические величины.

  1. Сопротивление, емкость, индуктивность
  2. Мощность, напряжение, проводимость
  3. Напряжение, ток, сопротивление (импеданс)
  4. Ток, сопротивление, индуктивность

Показать пояснительный ответ

Ответ: 3.Напряжение, ток, сопротивление (импеданс)

Пояснение: Считыватель может выбрать вариант 1, но не забывайте, что не существует концепции варианта 1 (сопротивление, емкость, индуктивность) без варианта 3 (напряжение, ток, мощность). ) Следовательно, основными электрическими величинами являются напряжение, ток и мощность (вариант 3).

2. В случае короткого замыкания _______ ток будет течь в цепи.

  1. Ноль.
  2. Очень низкий
  3. Нормальный.
  4. Бесконечное

Показать пояснительный ответ

Ответ: 4. Бесконечное

Объяснение: В точке короткого замыкания разница напряжений очень мала (около нуля). Затем введите значение → I = P / V…. поэтому, если мы положим V = 0, тогда ток будет бесконечным.

3. Ом (Ом) — это единица измерения ___________?

  1. Сопротивление (R)
  2. Индуктивное реактивное сопротивление (X L )
  3. Емкостное реактивное сопротивление (Xc)
  4. Все вышеперечисленное
  5. Ничего из вышеперечисленного

Показать пояснительный ответ

Ответ: 4.Все вышеперечисленное

Пояснение: Поскольку мы лучше знаем, что индуктивное и емкостное реактивные сопротивления являются сопротивлениями, единицы измерения всех этих величин должны быть одинаковыми, например, Ом (Ом)

4. Siemens или Mho ( ) это единица ____________?

  1. Проводимость
  2. Допуск
  3. И 1, и 2
  4. Ни один из вышеперечисленных

Показать пояснительный ответ

Ответ: 3.И 1, и 2.

Объяснение: Проводимость (G) является обратной величиной сопротивления (R), а единица проводимости в системе СИ (G) — Сименс (S) или Mho () и проводимость (Y). является обратной величиной импеданса (Z). но мы также знаем, что импеданс (Z) — это сопротивление в цепях переменного тока. Итак, оба (R) и (Z) — сопротивления. Следовательно, обратное / обратное R и Z = G и Y соответственно. И G и Y такие же. Таким образом, единица СИ этих величин (G и Y) = Сименс (S) или (или Mho ().

5. Какое количество заряда должно обеспечивать аккумулятор с разностью потенциалов 110 В для выполнения 660 Дж работы?

  1. 0,6 C
  2. 6 C
  3. 60 C
  4. 600 C

Показать пояснительный ответ

Ответ: 2. 6C

Пояснение: Q = W / V = ​​660J / 110V = 6C

6. Количество заряда, которое будет передано током 10 А в течение 1 часа, составляет _________?

  1. 10 С
  2. 3.6 x 10 4 C
  3. 2,4 x 10 3 C
  4. 1,6 x 10 2 C

Показать пояснительный ответ

Ответ: 2. 3,6 x 10 4 C

Пояснение: Q = I xt = 10A x (60 x 60 секунд) = 3,6 x 10 4 C

7. Если 100-ваттные лампочки включены в течение 10 часов, то каково будет количество потребляемой электроэнергии?

  1. 100 Вт
  2. 100 Вт в час
  3. 1000 Вт (1 кВт)
  4. 1 кВтч = 1 единица электроэнергии

Показать пояснительный ответ

Ответ: 4.1 кВтч = 1 единица электроэнергии.

Пояснение: Базовая единица потребляемой электроэнергии — кВтч = одна единица (также называемая единицей торговой площадки = BTU). Теперь 10 часов x 100 Вт = 1 кВтч. (1кВт = 1000Вт.

.

Основные концепции текущего электричества — Учебные материалы для IIT JEE

  • Полный курс физики — 11 класс
  • ПРЕДЛАГАЕМАЯ ЦЕНА: рупий.2 968

  • Просмотр подробностей
 

В электростатике мы видели, что электрическое поле внутри проводника уменьшается до нуля из-за движения электронов.Но если к проводнику приложить постоянную разность потенциалов (поле внутри проводника не равно нулю), это заставит свободные заряды (электроны) двигаться.

Мы видели, что такое движение вызывает поляризацию зарядов по поверхности проводника. Эти индуцированные заряды создают собственное электрическое поле и делают электрическое поле внутри проводника равным нулю.

Сейчас. Если к этим движущимся зарядам подводится внешний путь, такой как провода и т. Д., Возникает ток электрических зарядов.

Электрический ток

Он определяется как скорость прохождения заряда через определенную площадь поперечного сечения проводника. Направление тока всегда от области с более высоким потенциалом к ​​области с более низким потенциалом. Направление тока противоположно направлению потока электронов, потому что они несут отрицательный заряд и будут перемещаться из области с более высоким потенциалом. Это скалярная величина. Мы определяем это математически как

Ток, i = dq / dt.

Поток электрического заряда составляет электрический ток. Для данного проводника, если заряд ‘∂Q’ протекает через поперечное сечение площади A за время ‘∂t’, то электрический ток через проводник определяется как l = ∂Q / ∂t

current-through-conductor

Альтернативный текст: сквозной ток

Ток, определенный выше, - это средний ток за период ∂t.

Мгновенный ток дается как l = ∂Q / ∂t.

Направление электрического тока, как определено выше, будет взято вдоль направления потока положительного заряда (хотя в большинстве проводников носителем заряда является электрон, который заряжен отрицательно, и, следовательно, электрический ток будет в направлении, противоположном направлению потока электронов)

Несмотря на направление, которое мы ассоциируем с электрическим током, электрический ток не является векторной величиной. Вместо этого мы выбираем плотность тока (j), то есть ток, текущий через единицу площади поперечного сечения, в качестве векторной величины.


Иллюстрация:

Частица с зарядом q кулонов описывает круговую орбиту. Если радиус орбиты равен R, а частота орбитального движения частиц od равна f, то найти ток на орбите.

Решение:

Через любой участок орбиты заряд проходит f раз за одну секунду. Следовательно, через этот участок общий заряд за одну секунду равен fq. По определению i = fq.


Иллюстрация:

Ток в проводе изменяется со временем в соответствии с уравнением | = 4 + 2t, где | в амперах, а t в сек. Вычислите количество заряда, прошедшего через поперечное сечение провода за время от t = 2 с до t = 6 с.

Решение:

Пусть dq будет изменением, которое произошло за небольшой интервал времени dt. Тогда dq = | dt = (4 + 2t) dt

Следовательно, общий заряд, прошедший за интервал t = 2 секунды и t = 6, составляет

q = ∫ 6 2 (4 + 2t) dt = 48 кулонов

Чтобы узнать больше, купите учебные материалы по Current Electricity, включая учебные заметки, заметки о пересмотре, видеолекции, решенные вопросы за предыдущий год и т. Д.Также поищите здесь дополнительные учебные материалы по физике.

current-through-conductor

Особенности курса

  • 101 Видеолекция
  • Примечания к редакции
  • Документы за предыдущий год
  • Ментальная карта
  • Планировщик обучения
  • Решения NCERT
  • Обсуждение Форум
  • Тестовая бумага с видео-решением

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о