Как используется сила тока и напряжение на практике
В электротехнике для описания процессов, протекающих внутри электрических цепей, используются термины «ток», «напряжение» и «сопротивление». Каждый из них имеет собственное назначение со специфическими характеристиками.Рассмотрим и подведем выводы о каждом из терминах.
Электрический ток
Слово используется для характеристики движения заряженных частиц (электроны, дырки, катионы и анионы) через определенную среду вещества. Направление и количество носителей заряда определяет тип и силу тока.
Основные характеристики тока, влияющие на его практическое применение
Обязательным требованием для протекания зарядов является наличие цепи или, другим словами, замкнутого контура, создающего условия для их передвижения. Если внутри движущихся частиц образуется разрыв, то их направленное перемещение сразу прекращается.
На этом принципе работают все выключатели и защиты, используемые в электрике. Они создают разделение подвижными контактами токопроводящих частей между собой и этим действием прерывают протекание электрического тока, отключая прибор.
В энергетике наибольшее распространение получил метод создания электрического тока за счет передвижения электронов внутри металлов, изготовленных в виде проводов, шин или других токопроводящих частей.
Кроме этого способа также используется создание тока внутри:
1. газов и жидкостей-электролитов за счет движения электронов или катионов и анионов — ионов с положительными и отрицательными знаками заряда;
2. среды из вакуума, воздуха и газов при условии передвижения электронов, вызванного явлением термоэлектронной эмиссии;
3. полупроводниковых материалов вследствие перемещения электронов и дырок.
Электрический ток может возникнуть при:
приложении к заряженным частицам внешней разности электрических потенциалов;
нагреве проводников, не являющихся в данный момент сверхпроводниками;
протекании химических реакций, связанных с выделением новых веществ;
воздействии приложенного на проводник магнитного поля.
Форма сигнала электрического тока может быть:
1. постоянной в виде прямой линии на временно́м графике;
2. переменной синусоидальной гармоникой, хорошо описываемой основными тригонометрическими соотношениями;
3. меандром, грубо напоминающим синусоиду, но с резкими, ярко выраженными углами, которые в отдельных случаях могут быть хорошо сглажены;
4. пульсирующей, когда направление остается одним и тем же без изменения, а амплитуда колеблется периодически от нулевого до максимального значения по вполне определенному закону.
Формы тока
Электрический ток может совершать полезную для человека работу, когда он:
преобразуется в световое излучение;
создает нагрев тепловых элементов;
совершает механическую работу за счет притяжения или отталкивания подвижных якорей либо вращения роторов с приводами, закрепленных в подшипниках;
формирует электромагнитное излучение и в некоторых других случаях.
При прохождении электрического тока по проводам может создаваться вред, вызываемый:
излишним нагревом токонесущих цепей и контактов;
образованием вихревых токов в магнитопроводах электрических машин;
излучением электроэнергии электромагнитными волнами в окружающую среду и некоторыми подобными явлениями.
Конструкторы электрических приборов и разработчики различных схем учитывают перечисленные возможности электрического тока в своих устройствах. Например, вредное воздействие вихревых токов в трансформаторах, двигателях и генераторах уменьшается за счет шихтовки сердечников, используемых для пропускания магнитных потоков. В то же время вихревой ток успешно применяют для разогрева среды внутри электрических печей и микроволновок, работающих на индукционном принципе.
Электрический ток, в зависимости от своей величины, способен совершать различную работу. Для количественной оценки его возможностей принята величина, называемая силой тока. Ее размерностью в международной системе измерений является 1 ампер. Для обозначения силы тока в технической литературе принят индекс «I».
Электрическое напряжение
Этот термин используется как характеристика физической величины, выражающей затраченную работу по переносу пробного единичного электрического заряда из одной точки в другую без изменения характеров размещения остальных зарядов на действующих источниках полей.
Поскольку начальная и конечная точки обладают различными потенциалами энергии, то работа на перемещение заряда, или напряжение, совпадает с соотношением разности этих потенциалов.
В зависимости от протекающих токов используются различные термины и способы вычисления напряжения. Оно может быть:
1. постоянным — в цепях электростатики и постоянного тока;
2. переменным — в схемах с переменными и синусоидальными токами.
Для второго случая используются такие дополнительные характеристики и разновидности напряжения, как:
амплитуда — наибольшее отклонение от нулевого положения оси абсцисс;
мгновенная величина, которая выражается в конкретный момент времени;
действующее, эффективное или, называемое по-другому, среднеквадратичное значение, определяемое по совершаемой активной работе одного полупериода;
средневыпрямленное, рассчитываемое по модулю выпрямленного значения одного периода гармоники.
Характеристики переменного напряжения
Для количественной оценки напряжения введена международная единица 1 вольт, а ее обозначением стал символ «U».
При транспортировке электрической энергии по проводам воздушных линий конструкция опор и их габариты зависят от значения используемого напряжения. Его величину между проводами фаз называют линейной, а относительно каждого провода и землей — фазной.
Электрическое сопротивление
Термин применяется для характеристики свойств вещества ослаблять прохождение через него электрического тока. При этом могут выбираться разные среды, изменяться температура вещества или его габариты.
У цепей постоянного тока сопротивление совершает активную работу, поэтому его называют активным. Оно для любого участка прямо пропорционально приложенному напряжению и обратно пропорционально — проходящему току.
В цепях переменного тока введены понятия:
импеданса;
волнового сопротивления.
Электрический импеданс по-другому называют комплексным или полным сопротивлением с составляющими частями:
активной;
реактивной.
Реактивное сопротивление, в свою очередь, может быть:
емкостным;
индуктивным.
Соотношения между составляющими импеданса описываются треугольником сопротивлений.
Величиной сопротивления принята международная единица измерения в 1 Ом.
Взаимосвязь тока, напряжения, сопротивления
Классическим примеров выражения соотношений между этими характеристиками является сравнение с гидравлической схемой, в которой сила движения потока жизни (аналог — величина тока) зависит от значения приложенной к поршню силы (созданного напряжения) и характера магистралей потока, выполненных сужениями (сопротивлением).
Ток, напряжение и сопротивление
Математические закономерности, описывающие взаимосвязь электрического сопротивления, тока и напряжения впервые опубликовал и запатентовал Георг Ом. Он вывел законы для полного контура электрической цепи и его участка. Подробнее смотрите здесь: Применение закона Ома на практике
Для замера основных электрических величин электроэнергии применяют амперметры, вольтметры и омметры.
Замеры тока, напряжения и сопротивления
Амперметр замеряет ток, проходящий по цепи. Поскольку на всем замкнутом участке он не изменяется, то амперметр врезают в любом месте между источником напряжения и потребителем, создавая прохождение зарядов через измерительную головку прибора.
Вольтметром измеряют напряжение на клеммах подключенного к источнику тока потребителя.
Замеры сопротивления омметром могут выполняться только на обесточенном потребителе. Это объясняется тем, что омметр выдает калиброванное напряжение и замеряет ток, проходящий по измерительной головке, который переводится в Омы за счет деления напряжения на полученное значение тока.
Любое подключение маломощного постороннего напряжения при выполнении измерения создаст дополнительные токи и исказит результат. Учитывая, что внутренние цепи омметра изготавливаются маломощными, то при ошибочных замерах сопротивления при поданном постороннем напряжении довольно часто прибор выходит из строя за счет того, что у него выгорает внутренняя схема.
Знание основных характеристик тока, напряжения, сопротивления и зависимостей между ними позволяет электрикам успешно выполнять свою работу и надежно эксплуатировать электрические системы, а допускаемые ошибки очень часто заканчиваются несчастными случаями и травмами.
Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи (Ерюткин Е.С.)
На уроке речь пойдет об одном из центральных законов электродинамики – законе Ома для участка цепи. Будет изложена история его получения и указана формула с графической зависимостью.
Вспомним, что несколько предыдущих уроков были посвящены изучению таких физических величин, как сила тока, напряжение и сопротивление. Мы рассмотрели природу возникновения электрического сопротивления, единицу его измерения и вкратце указали, от каких общих факторов оно зависит. Также мы знаем, что сила тока зависит от электрического поля, которое возникает в проводнике, а напряжение зависит от работы этого поля. Но электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое также характеризуется работой электрического тока. Следовательно, должна быть какая-нибудь связь между всеми этими понятиями: сила тока, напряжение, сопротивление.
Впервые определил эту зависимость в 1826 году немецкий физик Георг Ом (1789–1854) (рис. 1). Он провел очень большое количество экспериментов, в которых, прежде всего, исследовал зависимость силы тока в цепи от напряжения. Проводились его эксперименты следующим образом: ничего не меняя в электрической цепи, он подключал к ней различное большее число источников тока, в результате чего увеличивалось напряжение, подаваемое в цепь, что приводило к увеличению силы тока. Такие многочисленные эксперименты привели к получению закона силы тока от электрического сопротивления.
Рис. 1. Георг Ом (Источник)
Опишем схему проведения экспериментов Георга Ома. В электрическую цепь он подключал проводник, на котором с помощью вольтметра и амперметра измерялись напряжение и сила тока соответственно, ключ и источник тока (рис. 2). Обратим внимание на то, что в цепи подключено несколько источников тока, и изменение их количества позволяет пронаблюдать за изменением силы тока в цепи в зависимости от напряжения.
Рис. 2. Схема экспериментов Г. Ома
В результате измерений прослеживается зависимость 
, где напряжение измеряется на зажимах AB, т. е. на проводнике.
Для того чтобы пронаблюдать зависимость силы тока от сопротивления, в той же цепи теперь следует не менять количество источников тока, а менять проводники, т. е. сопротивление цепи. Георг Ом поступил следующим образом: вместо одного проводника он подключил другой с вдвое большей длиной, т. е. с вдвое большим сопротивлением (почему это так, вы узнаете на следующем уроке). Аналогично он подключал и проводники с другими длинами и получил зависимость такого вида: 
На графике зависимость силы тока в проводнике от сопротивления выглядит следующим образом (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость силы тока в проводнике от сопротивления
Такая зависимость называется обратно пропорциональной. Эту зависимость Ому пришлось достаточно долго получать, но именно это и привело его к выводу важнейшего закона электродинамики – закону Ома для участка цепи. Собрав вместе те две зависимости, которые мы показали выше, Ом и пришел к своему закону.
Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:
Замечание. Этот закон лежит в основе науки под названием электротехника.
Т. к. напряжение в законе рассматривается на концах проводника и учитывается сопротивление самого проводника, то закон применим именно к участку цепи, т. е. к какой-либо его части.
Обозначения:
напряжение, В;
сила тока, А;
При работе с законом Ома следует понимать, что он выполним отдельно для каждого рассматриваемого участка цепи с различными значениями входящих в него параметров.
На следующем уроке речь пойдет о том, от каких параметров зависит сопротивление проводника.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- School.xvatit.com (Источник).
- Fiz.1september.ru (Источник).
- Youtube.com (Источник).
Домашнее задание
1. Стр. 102: вопросы № 1–7, упражнение № 19. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Вычислите силу тока в резисторе, сопротивление которого – 1200 Ом, а напряжение – 36 В.
3. Каким образом изменится сила тока в цепи, если количество последовательно соединенных источников тока в ней увеличить втрое, а подключенный к ней проводник укоротить вдвое? Кроме проводника и источников тока в цепи элементов нет.
4.* Соберите с помощью родителей или учителя схему, аналогичную той, с помощью которой Георг Ом получил свой известный закон. Проведите серию экспериментов, доказывающую справедливость закона Ома для участка цепи. Оцените погрешности измерений и результаты обсудите с учителем.
природа электрических явлений, основные отличия их друг от друга
Электричество в жизни современного человека играет огромную роль. Однако далеко не все понимают принципы и ценность этого явления. Основные характеристики электричества — это две зависящие друг от друга величины: напряжение и сила тока. Для того чтобы знать, чем они отличаются друг от друга, нужно понять их природу. И то, и другое могут иметь как постоянный, так и переменный характер.
Физические проявления
Физически ощутить проявления электричества человеку можно только опосредованно. Если попробовать на язык батарейку — можно почувствовать пощипывание. Это следствие протекания малого тока через организм. Чувствительная слизистая языка уже ощущает это раздражение. Можно увидеть искры статического электричества между двумя заряженными объектами, например, синтетическими тканями, или в школьном опыте с динамо-машиной. Все это следствие накопления заряда или потенциального напряжения.
Чтобы узнать, что такое сила тока, нужно определиться с понятием заряда. Как известно, вся материя в мире состоит из атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Среди этих частиц нейтрально заряжены только нейтроны. Протоны и электроны обладают потенциальной энергией — электрическим зарядом, который, в частности, и держит атомы в цельном состоянии.
Протоны и нейтроны находятся в ядре атома. Электроны же, напротив, располагаются далеко от ядра и движутся вокруг него по орбитам, сходным с орбитами планет солнечной системы. Чем дальше находится электрон от ядра, тем меньше его связь с центром атома, и тем проще он может потеряться. В различных материалах электроны ведут себя по-разному.
В металлах они слабо связаны с ядром и свободно перемещаются внутри вещества. Однако их общее количество в предмете с нейтральным зарядом всегда должно соответствовать количеству протонов.
Если электроны вследствие каких-то действий покидают вещество, они уносят с собой заряд. Соответственно, заряд, оставшийся в протонах вещества, будет накоплен этим веществом. Электроны могут унести заряд в случаях:
- Трения двух веществ друг о друга.
- Воздействия ультрафиолета или радиации.
- Быстрого перепада температур.
Таким образом, между предметами возникает разность потенциалов, или напряжение, способное вызвать искру. А искра — это уже проявление электрического тока. Заряды разного знака всегда притягиваются друг к другу. Если электроны перешли с одного материала на другой, то один материал накопил положительный заряд, а другой — отрицательный.
При их сближении электроны притянутся к положительно заряженному телу — и возникнет искра. То есть электроток — это движение заряженных ча
Аналогия с гидравликой
Слово ток имеет происхождение от слова течение. Соответственно, можно провести аналогию течения жидкости с электрическим током. Протекание жидкости возможно из одного места в другое, только если возникает сила, заставляющая ее сделать это. В самом простом случае — это разница уровней жидкости. То есть потенциальная энергия, заставляющая жидкое вещество течь от более высокого уровня к более низкому.
Аналогом разности уровней жидкости будет разность потенциалов или напряжение. Аналогом силы тока будет напор потока воды, создаваемый этой разностью уровней. Примеры потоков жидкости:
- Водопад.
- Поток, создаваемый водонапорной башней.
- Реки, текущие туда, где есть наклон территории.
Везде вода течет туда, где уровень меньше, а электроток — от большего напряжения к меньшему.
Связь величин законом Ома
Электротехнические величины также зависят и от материала, в котором протекает . Эти параметры определяются электросопротивлением вещества. Сопротивление бывает как бесконечно большим у диэлектриков, так и падать практически до нуля в условиях сверхпроводимости. Оно зависит от формы проводника (его длины и сечения) и вещества, из которого он изготовлен.
В обычных условиях сопротивление определяется по закону Ома как отношение напряжения к силе тока на участке цепи. То есть разность потенциалов можно найти как произведение силы тока на сопротивление. Знать, чем отличается сила тока от напряжения очень важно для электротехнических расчетов. На этом базируются все основы функционирования электрических цепей.
Постоянный и переменный
Сила тока и напряжение могут быть как постоянными, так и переменными. Постоянство величины говорит о ее неизменности во времени. Напротив, переменные величины периодически изменяют свое значение во времени. Если напряжение питания окажется переменным, то и сила тока, генерируемая им, будет переменной величиной. Это значит, что оба этих значения будут то увеличиваться, то уменьшаться. Форма сигнала может быть различной:
- Синусоидальный сигнал (плавное возрастание — убывание).
- Меандр (прямоугольный, треугольный сигнал), когда значение резко претерпевает изменение.
- Пульсирующий сигнал, изменяющийся то плавно, то резко, согласно некоторому закону.
Вне зависимости от того, постоянным или переменным является ток, его главное отличие от напряжения — то, что ток — это движение носителей заряда, а напряжение — причина этого движения.
| | Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru: главная страница / / Техническая информация / / Личная жизнь инженеров / / Физика и химия человека. Данные о среднем инженере / инженере-даме или будущем инженере. Механика и гидравлика инженеров. Расход энергии инженерами. Тепловые параметры инженеров. Инженеры и звук. Электрические параметры инженеров. Оптика инженеров. / / Влияние частоты, напряжения и силы тока на человека. Поражение электрическим током. Таблица поражающего действия силы тока для сети 220/380В 50Гц и пояснения. Поделиться:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||