Występowanie prądu elektrycznego. Prąd elektryczny: główne cechy i warunki jego istnienia

Jak nazywa się siła prądu? To pytanie pojawiało się w naszych głowach nie raz, czy dwa razy w trakcie omawiania różnych kwestii. Dlatego postanowiliśmy zająć się nim bardziej szczegółowo i postaramy się uczynić go jak najbardziej przystępnym, bez ogromnej liczby formuł i niejasnych terminów.

Czym zatem jest prąd elektryczny? Jest to ukierunkowany przepływ naładowanych cząstek. Ale czym są te cząstki, dlaczego nagle się poruszają i gdzie? To wszystko nie jest zbyt jasne. Dlatego przyjrzyjmy się temu zagadnieniu bardziej szczegółowo.

• Zacznijmy od pytania o cząstki naładowane, które tak naprawdę są nośnikami prądu elektrycznego. Są różne w różnych substancjach. Na przykład, czym jest prąd elektryczny w metalach? To są elektrony. W gazach znajdują się elektrony i jony; w półprzewodnikach - dziury; a w elektrolitach są to kationy i aniony.

• Cząstki te mają określony ładunek. Może być pozytywny lub negatywny. Definicja ładunku dodatniego i ujemnego podana jest warunkowo. Cząstki o tym samym ładunku odpychają się, a cząstki o tym samym ładunku przyciągają.

• Na tej podstawie logiczne okazuje się, że ruch nastąpi od bieguna dodatniego do ujemnego.
• A im większa liczba naładowanych cząstek obecnych na jednym naładowanym biegunie, tym większa ich liczba będzie przemieszczać się do bieguna o innym znaku. Ale to wszystko jest głęboką teorią, więc weźmy konkretny przykład.
• Załóżmy, że mamy gniazdko, do którego nie jest podłączone żadne urządzenie. Czy jest tam prąd? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy wiedzieć, jakie jest napięcie i prąd.
• Aby było to jaśniejsze, spójrzmy na to na przykładzie rury z wodą. Krótko mówiąc rura to nasz drut. Przekrój tej rury to napięcie sieci elektrycznej, a prędkość przepływu to nasz prąd elektryczny. Wróćmy do naszego gniazdka.

• Jeśli narysujemy analogię z rurą, to gniazdko bez podłączonych do niego urządzeń elektrycznych będzie rurą zamkniętą zaworem. Oznacza to, że nie ma tam prądu elektrycznego. Ale jest tam napięcie.
• Oczywiście jest to bardzo uproszczone przedstawienie zagadnienia i część fachowców będzie mnie krytykować i wytykać nieścisłości.

Ale daje pojęcie o tym, co nazywa się prądem elektrycznym.

Prąd stały i przemienny

Następne pytanie, które proponujemy zrozumieć, brzmi: czym jest prąd przemienny i prąd stały. W końcu wielu nie do końca poprawnie rozumie te pojęcia.

• Stały to prąd, który nie zmienia swojej wielkości i kierunku w czasie. Dość często prąd pulsujący jest również uważany za stały, ale porozmawiajmy o wszystkim w porządku. Prąd stały charakteryzuje się tym, że ta sama liczba ładunków elektrycznych stale wymienia się wzajemnie w jednym kierunku.
• Kierunek jest od jednego bieguna do drugiego. Okazuje się, że przewodnik zawsze ma ładunek dodatni lub ujemny.

I z czasem to się nie zmienia.

• Uważać na! Przy określaniu kierunku prądu stałego mogą wystąpić nieporozumienia. Jeżeli prąd jest generowany przez ruch dodatnio naładowanych cząstek, to jego kierunek odpowiada ruchowi cząstek. Jeżeli prąd powstaje w wyniku ruchu ujemnie naładowanych cząstek, wówczas uważa się, że jego kierunek jest przeciwny do ruchu cząstek. Jednak pojęcie prądu stałego często obejmuje tak zwany prąd pulsujący.
• Różni się od stałej tylko tym, że jej wartość zmienia się w czasie, ale jednocześnie nie zmienia swojego znaku. Załóżmy, że mamy prąd o natężeniu 5A.

• Dla prądu stałego wartość ta pozostanie niezmieniona przez cały okres czasu. Dla prądu pulsującego w jednym okresie będzie to 5, w innym 4, a w trzecim 4,5. Ale jednocześnie w żadnym wypadku nie spada poniżej zera i nie zmienia swojego znaku. Ten prąd tętnienia jest bardzo powszechny podczas konwersji prądu przemiennego na prąd stały.
• Jest to dokładnie prąd pulsujący wytwarzany przez falownik lub mostek diodowy w elektronice. Jedną z głównych zalet prądu stałego jest możliwość jego magazynowania.

Możesz to zrobić samodzielnie, używając baterii lub kondensatorów.

AC

	Aby zrozumieć, czym jest prąd przemienny, musimy wyobrazić sobie falę sinusoidalną. To właśnie ta płaska krzywa najlepiej charakteryzuje zmianę prądu stałego i jest standardem.
	Dlatego nie ma nośników ładunku jako takich bezpośrednio w przewodniku ruchu. Aby to zrozumieć, wyobraźmy sobie falę uderzającą w brzeg. Porusza się w jednym kierunku, a następnie w przeciwnym. W rezultacie woda wydaje się poruszać, ale pozostaje na miejscu.
	Na tej podstawie w przypadku prądu przemiennego bardzo ważnym czynnikiem staje się prędkość zmiany polaryzacji. Czynnik ten nazywany jest częstotliwością. Im wyższa jest ta częstotliwość, tym częściej na sekundę zmienia się polaryzacja prądu przemiennego. W naszym kraju istnieje standard dla tej wartości - wynosi ona 50 Hz. Oznacza to, że prąd przemienny zmienia swoją wartość z skrajnie dodatniej na skrajnie ujemną 50 razy na sekundę.
	Ale istnieje nie tylko prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz. Wiele urządzeń działa na prądzie przemiennym o różnych częstotliwościach. Rzeczywiście, zmieniając częstotliwość prądu przemiennego, można zmienić prędkość obrotową silników. Możesz także uzyskać wyższą wydajność przetwarzania danych - jak w chipsetach swoich komputerów i wiele więcej.

Uważać na! Na przykładzie zwykłej żarówki można wyraźnie zobaczyć, jaki jest prąd przemienny i stały. Jest to szczególnie wyraźnie widoczne na lampach diodowych niskiej jakości, ale jeśli przyjrzysz się uważnie, zobaczysz to również na zwykłej żarówce. Przy zasilaniu prądem stałym świecą równomiernym światłem, a przy zasilaniu prądem przemiennym migoczą ledwo zauważalnie.

Co to jest moc i gęstość prądu?

Cóż, dowiedzieliśmy się, czym jest prąd stały i czym jest prąd przemienny. Ale prawdopodobnie nadal masz wiele pytań. Postaramy się je rozważyć w tej części naszego artykułu.

Z tego filmu dowiesz się więcej o tym, czym jest moc.

• A pierwszym z tych pytań będzie: czym jest napięcie elektryczne? Napięcie to różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami.

• Od razu pojawia się pytanie, jaki jest potencjał? Teraz profesjonaliści znów będą mnie krytykować, ale powiedzmy tak: to nadmiar naładowanych cząstek. Oznacza to, że w jednym punkcie występuje nadmiar naładowanych cząstek, a w drugim jest ich więcej lub mniej. Różnica ta nazywana jest napięciem. Mierzy się go w woltach (V).

• Weźmy na przykład zwykły outlet. Zapewne wszyscy wiecie, że jego napięcie wynosi 220 V. Mamy w gnieździe dwa przewody, a napięcie 220V oznacza, że ​​potencjał jednego przewodu jest większy od potencjału drugiego przewodu dokładnie o te 220V.
• Aby zrozumieć, jaka jest moc prądu elektrycznego, musimy zrozumieć pojęcie napięcia. Chociaż z zawodowego punktu widzenia stwierdzenie to nie jest do końca poprawne. Prąd elektryczny nie ma mocy, ale jest jej pochodną.

• Aby zrozumieć ten punkt, wróćmy do naszej analogii z rurą wodną. Jak pamiętacie, przekrój tej rury to napięcie, a natężenie przepływu w rurze to prąd. Zatem: moc to ilość wody przepływającej przez tę rurę.
• Logiczne jest założenie, że przy równych przekrojach, to znaczy napięciach, im silniejszy przepływ, to znaczy prąd elektryczny, tym większy przepływ wody przepływa przez rurę. W związku z tym więcej mocy zostanie przekazanych konsumentowi.
• Ale jeśli analogicznie do wody możemy przepuścić ściśle określoną ilość wody przez rurę o określonym przekroju, ponieważ woda nie jest sprężana, to z prądem elektrycznym wszystko jest inne. Teoretycznie możemy przesłać dowolny prąd przez dowolny przewodnik. Ale w praktyce przewodnik o małym przekroju przy dużej gęstości prądu po prostu się wypali.

• W związku z tym musimy zrozumieć, jaka jest gęstość prądu. Z grubsza mówiąc, jest to liczba elektronów, które przemieszczają się przez określony przekrój przewodnika w jednostce czasu.
• Liczba ta powinna być optymalna. W końcu, jeśli weźmiemy przewodnik o dużym przekroju i przepuścimy przez niego mały prąd, wówczas cena takiej instalacji elektrycznej będzie wysoka. Jednocześnie, jeśli weźmiemy przewodnik o małym przekroju, to ze względu na dużą gęstość prądu ulegnie on przegrzaniu i szybkiemu przepaleniu.
• Pod tym względem PUE ma odpowiednią sekcję, która umożliwia wybór przewodników na podstawie ekonomicznej gęstości prądu.

• Wróćmy jednak do koncepcji czym jest aktualna moc? Jak zrozumieliśmy z naszej analogii, przy tym samym przekroju rury przesyłana moc zależy tylko od natężenia prądu. Ale jeśli zwiększymy przekrój naszej rury, to znaczy zwiększymy napięcie, w tym przypadku przy tych samych natężeniach przepływu przesyłane będą zupełnie inne objętości wody. Podobnie jest w elektryce.

• Im wyższe napięcie, tym mniej prądu potrzeba do przesłania tej samej mocy. Dlatego linie wysokiego napięcia służą do przesyłania dużych mocy na duże odległości.

Przecież linia o przekroju drutu 120 mm 2 dla napięcia 330 kV jest w stanie przesłać wielokrotnie większą moc w porównaniu z linią o tym samym przekroju, ale o napięciu 35 kV. Chociaż to, co nazywa się obecną siłą, będzie w nich takie samo.

Metody przesyłania prądu elektrycznego

Ustaliliśmy, jaki jest prąd i napięcie. Czas dowiedzieć się, jak rozprowadzać prąd elektryczny. Dzięki temu w przyszłości będziesz mieć większą pewność w obchodzeniu się z urządzeniami elektrycznymi.

Jak już powiedzieliśmy, prąd może być przemienny i stały. W przemyśle i w gniazdkach wykorzystuje się prąd przemienny. Jest to bardziej powszechne, ponieważ łatwiej jest transmitować przewodowo. Faktem jest, że zmiana napięcia stałego jest dość trudna i kosztowna, ale zmiany napięcia przemiennego można dokonać za pomocą zwykłych transformatorów.

Uważać na! Żaden transformator prądu przemiennego nie będzie działał na prąd stały. Ponieważ właściwości, które wykorzystuje, są nieodłączne tylko od prądu przemiennego.

• Ale to wcale nie oznacza, że ​​​​prąd stały nie jest nigdzie używany. Ma inną użyteczną właściwość, która nie jest nieodłączną cechą zmiennej. Można je gromadzić i przechowywać.
• W tym zakresie prąd stały wykorzystuje się we wszystkich przenośnych urządzeniach elektrycznych, w transporcie kolejowym, a także w niektórych obiektach przemysłowych, gdzie konieczne jest utrzymanie funkcjonalności nawet po całkowitej utracie zasilania.

• Najpopularniejszą metodą magazynowania energii elektrycznej są baterie. Mają specjalne właściwości chemiczne, które pozwalają im akumulować, a następnie w razie potrzeby uwalniać prąd stały.
• Każdy akumulator ma ściśle ograniczoną ilość zgromadzonej energii. Nazywa się to pojemnością akumulatora i jest częściowo określana przez prąd rozruchowy akumulatora.
• Jaki jest prąd rozruchowy akumulatora? Jest to ilość energii, jaką akumulator jest w stanie dostarczyć już w początkowej chwili załączenia obciążenia. Faktem jest, że akumulatory w zależności od swoich właściwości fizykochemicznych różnią się sposobem uwalniania zgromadzonej energii.

• Niektórzy potrafią dać wiele na raz. Z tego powodu oczywiście szybko się rozładują. A te ostatnie dają przez długi czas, ale trochę na raz. Dodatkowo ważnym aspektem akumulatora jest jego zdolność do utrzymywania napięcia.
• Faktem jest, że, jak mówi instrukcja, w przypadku niektórych akumulatorów, gdy ich pojemność jest uwalniana, ich napięcie stopniowo maleje. Inne akumulatory są w stanie dostarczyć prawie całą pojemność przy tym samym napięciu. W oparciu o te podstawowe właściwości wybierane są te magazyny energii elektrycznej.
• Do przesyłania prądu stałego we wszystkich przypadkach stosuje się dwa przewody. To jest żyła dodatnia i ujemna. Czerwony i niebieski.

Możesz to zrobić samodzielnie, używając baterii lub kondensatorów.

Ale w przypadku prądu przemiennego wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane. Może być przesyłany jednym, dwoma, trzema lub czterema przewodami. Aby to wyjaśnić, musimy zrozumieć pytanie: czym jest prąd trójfazowy?

• Nasz prąd przemienny jest wytwarzany przez generator. Zazwyczaj prawie wszystkie z nich mają strukturę trójfazową. Oznacza to, że generator ma trzy wyjścia i na każde z tych wyjść doprowadzany jest prąd elektryczny, różniący się od poprzednich o kąt 120⁰.

• Aby to zrozumieć, przypomnijmy sobie naszą sinusoidę, która jest modelem opisu prądu przemiennego i zgodnie z prawami jego zmian. Weźmy trzy fazy – „A”, „B” i „C” i przyjmijmy określony moment w czasie. W tym momencie fala sinusoidalna fazy „A” znajduje się w punkcie zerowym, fala sinusoidalna fazy „B” znajduje się w skrajnym punkcie dodatnim, a fala sinusoidalna fazy „C” znajduje się w skrajnym punkcie ujemnym.
• W każdej kolejnej jednostce czasu prąd przemienny w tych fazach będzie się zmieniał, ale synchronicznie. Oznacza to, że po pewnym czasie w fazie „A” wystąpi maksimum ujemne. W fazie „B” będzie zero, a w fazie „C” będzie dodatnie maksimum. A po pewnym czasie znów się zmienią.

• W rezultacie okazuje się, że każda z tych faz ma swój potencjał, odmienny od potencjału fazy sąsiedniej. Dlatego musi być między nimi coś, co nie przewodzi prądu elektrycznego.
• Ta różnica potencjałów między dwiema fazami nazywana jest napięciem sieciowym. Ponadto mają różnicę potencjałów w stosunku do ziemi - napięcie to nazywa się napięciem fazowym.
• I tak, jeśli napięcie liniowe pomiędzy tymi fazami wynosi 380 V, to napięcie fazowe wynosi 220 V. Różni się wartością √3. Ta zasada obowiązuje zawsze dla każdego napięcia.

• Na tej podstawie, jeśli potrzebujemy napięcia 220 V, możemy wziąć przewód jednofazowy i przewód sztywno połączony z ziemią. I otrzymamy jednofazową sieć 220V. Jeśli potrzebujemy sieci 380 V, możemy wziąć tylko dowolne 2 fazy i podłączyć jakieś urządzenie grzewcze, jak na filmie.

Ale w większości przypadków stosowane są wszystkie trzy fazy. Wszyscy potężni odbiorcy są podłączeni do sieci trójfazowej.

Wniosek

Czym jest prąd indukowany, prąd pojemnościowy, prąd rozruchowy, prąd jałowy, prądy składowej przeciwnej, prądy błądzące i wiele innych, po prostu nie możemy omówić w jednym artykule.

Przecież problematyka prądu elektrycznego jest dość obszerna i po to stworzono całą naukę o elektrotechnice. Mamy jednak nadzieję, że udało nam się wyjaśnić w przystępnym języku główne aspekty tego zagadnienia i teraz prąd elektryczny nie będzie dla Was czymś strasznym i niezrozumiałym.

Co to jest prąd elektryczny

Ukierunkowany ruch cząstek naładowanych elektrycznie pod wpływem . Cząstkami takimi mogą być: w przewodnikach – elektrony, w elektrolitach – jony (kationy i aniony), w półprzewodnikach – elektrony oraz tzw. „dziury” („przewodnictwo elektron-dziura”). Istnieje również „prąd polaryzacji”, którego przepływ wynika z procesu ładowania pojemności, tj. zmianę różnicy potencjałów pomiędzy płytkami. Pomiędzy płytami nie ma ruchu cząstek, ale przez kondensator przepływa prąd.

W teorii obwodów elektrycznych za prąd uważa się kierunkowy ruch nośników ładunku w ośrodku przewodzącym pod wpływem pola elektrycznego.

Prąd przewodzenia (po prostu prąd) w teorii obwodów elektrycznych to ilość energii elektrycznej przepływającej w jednostce czasu przez przekrój poprzeczny przewodnika: i=q/t, gdzie i to prąd. A; q = 1,6·10 9 - ładunek elektronu, C; t - czas, s.

To wyrażenie dotyczy obwodów prądu stałego. Dla obwodów prądu przemiennego stosuje się tzw. wartość prądu chwilowego, równą szybkości zmian ładunku w czasie: i(t)= dq/dt.

Prąd elektryczny występuje, gdy pole elektryczne lub różnica potencjałów pojawia się w odcinku obwodu elektrycznego pomiędzy dwoma punktami przewodnika. Różnica potencjałów między dwoma punktami nazywana jest napięciem lub spadek napięcia w tej części obwodu.

Zamiast terminu „prąd” („wielkość prądu”) często używa się terminu „natężenie prądu”. Jednak tego ostatniego nie można nazwać sukcesem, ponieważ siła prądu nie jest żadną siłą w dosłownym tego słowa znaczeniu, a jedynie intensywnością ruchu ładunków elektrycznych w przewodniku, ilością energii elektrycznej przechodzącej przez krzyż w jednostce czasu -powierzchnia przekroju przewodnika.
Prąd charakteryzuje się natężeniem prądu, które w układzie SI mierzy się w amperach (A) oraz gęstością prądu, która w układzie SI jest mierzona w amperach na metr kwadratowy.
Jeden amper odpowiada przepływowi ładunku elektrycznego o wartości jednego kulomba (C) przez przekrój poprzeczny przewodnika w ciągu jednej sekundy (s):

1A = 1C/s.

W ogólnym przypadku, oznaczając prąd literą i, a ładunek q, otrzymujemy:

ja = dq / dt.

Jednostka natężenia prądu nazywana jest amperem (A). Prąd w przewodniku wynosi 1 A, jeśli ładunek elektryczny o wartości 1 kulomba przejdzie przez jego przekrój w ciągu 1 sekundy.

Jeśli do przewodnika przyłoży się napięcie, wewnątrz przewodnika powstaje pole elektryczne. Przy natężeniu pola E na elektrony o ładunku e działa siła f = Ee. Wielkości f i E są wektorami. W czasie swobodnej ścieżki elektrony uzyskują ruch kierunkowy wraz z ruchem chaotycznym. Każdy elektron ma ładunek ujemny i otrzymuje składową prędkości skierowaną przeciwnie do wektora E (rys. 1). Uporządkowany ruch, charakteryzujący się pewną średnią prędkością elektronów vcp, determinuje przepływ prądu elektrycznego.

Elektrony mogą mieć ukierunkowany ruch w rozrzedzonych gazach. W elektrolitach i gazach zjonizowanych przepływ prądu wynika głównie z ruchu jonów. Zgodnie z faktem, że w elektrolitach jony naładowane dodatnio przemieszczają się od bieguna dodatniego do ujemnego, historycznie uważano, że kierunek prądu jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów.

Za kierunek prądu przyjmuje się kierunek, w którym poruszają się cząstki naładowane dodatnio, tj. kierunku przeciwnym do ruchu elektronów.
W teorii obwodów elektrycznych za kierunek prądu w obwodzie pasywnym (poza źródłami energii) przyjmuje się kierunek ruchu dodatnio naładowanych cząstek od potencjału wyższego do niższego. Kierunek ten został przyjęty na samym początku rozwoju elektrotechniki i jest sprzeczny z prawdziwym kierunkiem ruchu nośników ładunku - elektronów poruszających się w ośrodkach przewodzących od minus do plusa.

Wartość równa stosunkowi prądu do pola przekroju poprzecznego S nazywa się gęstością prądu (oznaczoną przez δ): δ= JEST

Zakłada się, że prąd rozkłada się równomiernie na przekroju przewodnika. Gęstość prądu w drutach mierzy się zwykle w A/mm2.

Wyróżnia się je ze względu na rodzaj nośników ładunku elektrycznego i środek ich ruchu prądy przewodzenia i prądy przemieszczenia. Przewodnictwo dzieli się na elektroniczne i jonowe. Dla warunków ustalonych rozróżnia się dwa rodzaje prądów: stały i przemienny.

Przepływ prądu elektrycznego nazwać zjawiskiem przenoszenia ładunków elektrycznych przez naładowane cząstki lub ciała poruszające się w wolnej przestrzeni. Głównym rodzajem prądu elektrycznego jest ruch cząstek elementarnych z ładunkiem w pustce (ruch wolnych elektronów w lampach elektronowych), ruch wolnych jonów w urządzeniach wyładowczych.

Elektryczny prąd przemieszczenia (prąd polaryzacyjny) zwany uporządkowanym ruchem związanych nośników ładunków elektrycznych. Ten rodzaj prądu można zaobserwować w dielektrykach.
Całkowity prąd elektryczny- wielkość skalarna równa sumie prądu przewodzenia elektrycznego, elektrycznego prądu przenoszenia i elektrycznego prądu przemieszczania się przez rozważaną powierzchnię.

Stała to prąd, który może zmieniać się pod względem wielkości, ale nie zmienia swojego znaku przez dowolnie długi czas. Przeczytaj więcej na ten temat tutaj:

Prąd przemienny to prąd, który okresowo zmienia się zarówno pod względem wielkości, jak i znaku.Wielkością charakteryzującą prąd przemienny jest częstotliwość (mierzona w hercach w układzie SI), w przypadku gdy jego natężenie zmienia się okresowo. Prąd przemienny wysokiej częstotliwości jest wciskany na powierzchnię przewodnika. Prądy o wysokiej częstotliwości są stosowane w budowie maszyn do obróbki cieplnej powierzchni części i spawania oraz w metalurgii do topienia metali.Prądy przemienne dzielą się na sinusoidalne i niesinusoidalny. Prąd zmieniający się zgodnie z prawem harmonicznym nazywa się sinusoidalnym:

i = Jestem grzechem ωt,

Charakteryzuje się szybkością zmian prądu przemiennego, definiowaną jako liczba pełnych powtarzających się oscylacji w jednostce czasu. Częstotliwość oznaczona jest literą f i jest mierzona w hercach (Hz). Zatem częstotliwość prądu w sieci 50 Hz odpowiada 50 pełnym oscylacjom na sekundę. Częstotliwość kątowa ω jest szybkością zmian prądu w radianach na sekundę i jest powiązana z częstotliwością prostą zależnością:

ω = 2πf

Wartości w stanie ustalonym (stałe) prądów stałych i przemiennych oznacz wielką literą I wartości niestałe (chwilowe) - litera i. Tradycyjnie za kierunek ruchu ładunków dodatnich uważa się dodatni kierunek prądu.

Jest to prąd, który zmienia się w czasie zgodnie z prawem sinusoidalnym.

Prąd przemienny odnosi się również do prądu w konwencjonalnych sieciach jedno- i trójfazowych. W tym przypadku parametry prądu przemiennego zmieniają się zgodnie z prawem harmonicznym.

Ponieważ prąd przemienny zmienia się w czasie, proste metody rozwiązywania problemów odpowiednie dla obwodów prądu stałego nie mają tu bezpośredniego zastosowania. Przy bardzo wysokich częstotliwościach ładunki mogą ulegać ruchowi oscylacyjnemu – przepływać z jednego miejsca obwodu do drugiego i z powrotem. W takim przypadku, w przeciwieństwie do obwodów prądu stałego, prądy w przewodach połączonych szeregowo mogą nie być takie same. Pojemności obecne w obwodach prądu przemiennego wzmacniają ten efekt. Ponadto, gdy zmienia się prąd, pojawiają się efekty samoindukcji, które stają się znaczące nawet przy niskich częstotliwościach, jeśli stosowane są cewki o dużej indukcyjności. Przy stosunkowo niskich częstotliwościach obwody prądu przemiennego można nadal obliczać za pomocą , które jednak należy odpowiednio zmodyfikować.

Obwód zawierający różne rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory można traktować tak, jakby składał się z uogólnionego rezystora, kondensatora i cewki indukcyjnej połączonych szeregowo.

Rozważmy właściwości takiego obwodu podłączonego do sinusoidalnego generatora prądu przemiennego. Aby sformułować zasady obliczania obwodów prądu przemiennego, należy znaleźć zależność między spadkiem napięcia a prądem dla każdego elementu takiego obwodu.

Odgrywa zupełnie inną rolę w obwodach prądu przemiennego i stałego. Jeśli na przykład element elektrochemiczny zostanie podłączony do obwodu, kondensator zacznie się ładować, aż napięcie na nim stanie się równe sile emf elementu. Następnie ładowanie zostanie zatrzymane, a prąd spadnie do zera. Jeśli obwód jest podłączony do generatora prądu przemiennego, wówczas w jednym półcyklu elektrony wypłyną z lewej płytki kondensatora i zgromadzą się po prawej stronie, a w drugim - odwrotnie. Te poruszające się elektrony reprezentują prąd przemienny, którego siła jest taka sama po obu stronach kondensatora. Dopóki częstotliwość prądu przemiennego nie jest zbyt wysoka, prąd płynący przez rezystor i cewkę indukcyjną jest również taki sam.

W urządzeniach zużywających prąd przemienny prąd przemienny jest często prostowany przez prostowniki w celu wytworzenia prądu stałego.

Przewodniki prądu elektrycznego

Materiał, w którym płynie prąd, nazywa się. Niektóre materiały stają się nadprzewodnikami w niskich temperaturach. W tym stanie prawie nie stawiają oporu prądowi; ich rezystancja dąży do zera. We wszystkich innych przypadkach przewodnik stawia opór przepływowi prądu, w wyniku czego część energii cząstek elektrycznych zamienia się w ciepło. Natężenie prądu można obliczyć, korzystając z przekroju obwodu i prawa Ohma dla całego obwodu.

Prędkość ruchu cząstek w przewodnikach zależy od materiału przewodnika, masy i ładunku cząstki, temperatury otoczenia, przyłożonej różnicy potencjałów i jest znacznie mniejsza niż prędkość światła. Mimo to prędkość propagacji samego prądu elektrycznego jest równa prędkości światła w danym ośrodku, czyli prędkości propagacji czoła fali elektromagnetycznej.

Jak prąd wpływa na organizm ludzki?

Prąd przepływający przez ciało człowieka lub zwierzęcia może spowodować oparzenia elektryczne, migotanie lub śmierć. Z drugiej strony, prąd elektryczny wykorzystuje się na intensywnej terapii do leczenia chorób psychicznych, zwłaszcza depresji, elektryczną stymulację niektórych obszarów mózgu stosuje się w leczeniu chorób takich jak choroba Parkinsona i epilepsja, rozrusznik stymulujący mięsień sercowy impulsem pulsacyjnym prąd stosowany jest w przypadku bradykardii. U ludzi i zwierząt prąd służy do przekazywania impulsów nerwowych.

Zgodnie z przepisami bezpieczeństwa minimalny prąd odczuwalny przez człowieka wynosi 1 mA. Prąd staje się niebezpieczny dla życia ludzkiego już od siły około 0,01 A. Prąd staje się śmiertelny dla człowieka już od siły około 0,1 A. Za bezpieczne uważa się napięcie mniejsze niż 42 V.

Nie można sobie wyobrazić życia współczesnego człowieka bez prądu. Wolty, ampery, waty – te słowa można usłyszeć, gdy mówimy o urządzeniach zasilanych energią elektryczną. Czym jednak jest prąd elektryczny i jakie są warunki jego istnienia? Porozmawiamy o tym dalej, przedstawiając krótkie wyjaśnienie dla początkujących elektryków.

Definicja

Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch nośników ładunku – to standardowe sformułowanie z podręcznika fizyki. Z kolei nośniki ładunku nazywane są pewnymi cząstkami materii. Mogą to być:

• Elektrony są nośnikami ładunku ujemnego.
• Jony są nośnikami ładunku dodatniego.

Ale skąd pochodzą nośniki ładunku? Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba pamiętać o podstawowej wiedzy o budowie materii. Wszystko, co nas otacza, jest materią; składa się z cząsteczek, najmniejszych cząstek. Cząsteczki składają się z atomów. Atom składa się z jądra, wokół którego elektrony poruszają się po określonych orbitach. Cząsteczki również poruszają się losowo. Ruch i struktura każdej z tych cząstek zależy od samej substancji i wpływu na nią środowiska, takiego jak temperatura, naprężenie i inne.

Jon to atom, którego stosunek elektronów i protonów uległ zmianie. Jeśli atom jest początkowo obojętny, wówczas jony z kolei dzielą się na:

• Anion to dodatni jon atomu, który utracił elektrony.
• Kationy to atom z „dodatkowymi” elektronami przyłączonymi do atomu.

Jednostką pomiaru prądu jest amper, według którego oblicza się go za pomocą wzoru:

gdzie U to napięcie, [V], a R to rezystancja, [Ohm].

Lub wprost proporcjonalna do ilości ładunku przeniesionego w jednostce czasu:

gdzie Q – ładunek, [C], t – czas, [s].

Warunki istnienia prądu elektrycznego

Ustaliliśmy, czym jest prąd elektryczny, teraz porozmawiajmy o tym, jak zapewnić jego przepływ. Aby prąd elektryczny mógł płynąć, muszą zostać spełnione dwa warunki:

1. Obecność przewoźników bezpłatnych.
2. Pole elektryczne.

Pierwszy warunek istnienia i przepływu prądu elektrycznego zależy od substancji, w której prąd płynie (lub nie płynie), a także od jego stanu. Możliwy jest również drugi warunek: dla istnienia pola elektrycznego wymagana jest obecność różnych potencjałów, pomiędzy którymi znajduje się ośrodek, w którym będą przepływać nośniki ładunku.

Przypomnijmy: Napięcie, pole elektromagnetyczne to różnica potencjałów. Wynika z tego, że aby spełnić warunki istnienia prądu - obecność pola elektrycznego i prądu elektrycznego, potrzebne jest napięcie. Mogą to być płytki naładowanego kondensatora, element galwaniczny lub pole elektromagnetyczne generowane pod wpływem pola magnetycznego (generator).

Ustaliliśmy, jak powstaje, porozmawiajmy o tym, dokąd jest skierowany. Prąd, głównie w naszym codziennym użyciu, płynie w przewodnikach (instalacja elektryczna w mieszkaniu, żarówki) lub w półprzewodnikach (diody LED, procesor smartfona i inna elektronika), rzadziej w gazach (lampy fluorescencyjne).

Tak więc głównymi nośnikami ładunku są w większości przypadków elektrony; przemieszczają się one od minus (punkt o potencjale ujemnym) do plusa (punkt o potencjale dodatnim, dowiesz się więcej na ten temat poniżej).

Ciekawostką jest jednak to, że za kierunek ruchu prądu przyjęto ruch ładunków dodatnich - od plusa do minusa. Chociaż tak naprawdę wszystko dzieje się na odwrót. Faktem jest, że decyzję o kierunku prądu podjęto przed zbadaniem jego natury, a także zanim ustalono, w jaki sposób prąd płynie i istnieje.

Prąd elektryczny w różnych środowiskach

Wspomnieliśmy już, że w różnych środowiskach prąd elektryczny może różnić się rodzajem nośników ładunku. Media można podzielić ze względu na charakter ich przewodności (w malejącej kolejności przewodności):

1. Przewodnik (metale).
2. Półprzewodnik (krzem, german, arsenek galu itp.).
3. Dielektryk (próżnia, powietrze, woda destylowana).

W metalach

Metale zawierają wolne nośniki ładunku, czasami nazywane są „gazem elektrycznym”. Skąd pochodzą przewoźnicy bezpłatnie? Faktem jest, że metal, jak każda substancja, składa się z atomów. Atomy poruszają się lub wibrują w ten czy inny sposób. Im wyższa temperatura metalu, tym silniejszy jest ten ruch. Jednocześnie same atomy na ogół pozostają na swoich miejscach, faktycznie tworząc strukturę metalu.

W powłokach elektronowych atomu znajduje się zwykle kilka elektronów, których połączenie z jądrem jest raczej słabe. Pod wpływem temperatur, reakcji chemicznych i interakcji zanieczyszczeń, które tak czy inaczej znajdują się w metalu, elektrony oddzielają się od ich atomów i tworzą się dodatnio naładowane jony. Odłączone elektrony nazywane są swobodnymi i poruszają się chaotycznie.

Jeśli na nie oddziałuje pole elektryczne, na przykład, jeśli podłączysz baterię do kawałka metalu, chaotyczny ruch elektronów stanie się uporządkowany. Elektrony z punktu, w którym podłączony jest potencjał ujemny (na przykład katoda ogniwa galwanicznego) zaczną przemieszczać się do punktu o potencjale dodatnim.

W półprzewodnikach

Półprzewodniki to materiały, w których w stanie normalnym nie ma wolnych nośników ładunku. Znajdują się w tzw. strefie zabronionej. Jeśli jednak przyłożone zostaną siły zewnętrzne, takie jak pole elektryczne, ciepło, różne promieniowanie (światło, promieniowanie itp.), pokonują one pasmo wzbronione i przemieszczają się do wolnej strefy lub pasma przewodnictwa. Elektrony odrywają się od swoich atomów i stają się wolne, tworząc jony – nośniki ładunku dodatniego.

Dodatnie nośniki w półprzewodnikach nazywane są dziurami.

Jeśli po prostu przeniesiesz energię do półprzewodnika, na przykład podgrzejesz go, rozpocznie się chaotyczny ruch nośników ładunku. Ale jeśli mówimy o elementach półprzewodnikowych, takich jak dioda lub tranzystor, wówczas na przeciwległych końcach kryształu pojawi się pole elektromagnetyczne (nakładana jest na nie metalizowana warstwa i lutowane przewody), ale nie dotyczy to temat dzisiejszego artykułu.

Jeśli przyłożymy do półprzewodnika źródło pola elektromagnetycznego, nośniki ładunku również przesuną się do pasma przewodnictwa i rozpocznie się także ich ruch kierunkowy - dziury będą przemieszczać się w kierunku o niższym potencjale elektrycznym, a elektrony w kierunku o wyższym potencjale elektrycznym .

W próżni i gazie

Próżnia to ośrodek, w którym występuje całkowity (w idealnym przypadku) brak gazów lub ich minimalna (w rzeczywistości) ilość. Ponieważ w próżni nie ma materii, nie ma miejsca, z którego mogłyby pochodzić nośniki ładunku. Jednak przepływ prądu w próżni zapoczątkował elektronikę i całą erę elementów elektronicznych – lamp próżniowych. Zaczęto je stosować już w pierwszej połowie ubiegłego wieku, a w latach 50. zaczęły stopniowo ustępować miejsca tranzystorom (w zależności od konkretnej dziedziny elektroniki).

Załóżmy, że mamy naczynie, z którego wypompowano cały gaz, tj. panuje w nim kompletna próżnia. W naczyniu umieszczone są dwie elektrody, nazwijmy je anodą i katodą. Jeśli połączymy ujemny potencjał źródła pola elektromagnetycznego z katodą i dodatni potencjał z anodą, nic się nie stanie i prąd nie będzie płynął. Ale jeśli zaczniemy podgrzewać katodę, prąd zacznie płynąć. Proces ten nazywany jest emisją termionową – emisją elektronów z ogrzanej powierzchni elektronowej.

Rysunek przedstawia proces przepływu prądu w lampie próżniowej. W lampach próżniowych katoda jest podgrzewana przez pobliski żarnik na rysunku (H), na przykład w lampie oświetleniowej.

Co więcej, jeśli zmienisz polaryzację zasilania - przyłóż minus do anody i przyłóż plus do katody - prąd nie będzie płynął. To udowodni, że prąd w próżni płynie w wyniku ruchu elektronów z KATODY do ANODY.

Gaz, jak każda substancja, składa się z cząsteczek i atomów, co oznacza, że ​​jeśli gaz znajdzie się pod wpływem pola elektrycznego, to przy określonej sile (napięcie jonizacji) elektrony oderwą się od atomu, wówczas oba warunki przepływu prądu elektrycznego zostanie zaspokojone – media polowe i wolne.

Jak już wspomniano, proces ten nazywa się jonizacją. Może to nastąpić nie tylko w wyniku przyłożonego napięcia, ale także w wyniku podgrzania gazu, promieniowania rentgenowskiego, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego i innych czynników.

Prąd będzie płynął przez powietrze, nawet jeśli pomiędzy elektrodami zainstalowany jest palnik.

Przepływowi prądu w gazach obojętnych towarzyszy luminescencja gazu; zjawisko to jest aktywnie wykorzystywane w świetlówkach. Przepływ prądu elektrycznego w ośrodku gazowym nazywa się wyładowaniem gazowym.

W płynie

Załóżmy, że mamy naczynie z wodą, w którym umieszczone są dwie elektrody, do których podłączone jest źródło prądu. Jeśli woda jest destylowana, to znaczy czysta i nie zawiera zanieczyszczeń, to jest dielektrykiem. Ale jeśli dodamy do wody trochę soli, kwasu siarkowego lub innej substancji, powstaje elektrolit i zaczyna przez niego płynąć prąd.

Elektrolit to substancja przewodząca prąd elektryczny w wyniku dysocjacji na jony.

Jeśli dodasz siarczan miedzi do wody, na jednej z elektrod (katodzie) odłoży się warstwa miedzi - nazywa się to elektrolizą, co świadczy o tym, że prąd elektryczny w cieczy odbywa się w wyniku ruchu jonów - dodatnich i ujemnych nośniki opłat.

Elektroliza to proces fizyczny i chemiczny polegający na oddzieleniu na elektrodach składników tworzących elektrolit.

W ten sposób następuje miedziowanie, złocenie i powlekanie innymi metalami.

Wniosek

Podsumowując, aby płynął prąd elektryczny, potrzebne są swobodne nośniki ładunku:

• elektrony w przewodnikach (metalach) i próżni;
• elektrony i dziury w półprzewodnikach;
• jony (aniony i kationy) w cieczach i gazach.

Aby ruch tych nośników był uporządkowany potrzebne jest pole elektryczne. Krótko mówiąc, przyłóż napięcie do końcówek ciała lub zainstaluj dwie elektrody w środowisku, w którym ma płynąć prąd elektryczny.

Warto również zauważyć, że prąd wpływa na substancję w określony sposób, istnieją trzy rodzaje wpływu:

• termiczny;
• chemiczny;
• fizyczny.

Użyteczne

Jest to uporządkowany ruch niektórych naładowanych cząstek. Aby kompetentnie wykorzystać pełny potencjał energii elektrycznej, konieczne jest jasne zrozumienie wszystkich zasad budowy i działania prądu elektrycznego. Zastanówmy się więc, jaka jest praca i aktualna moc.

Skąd w ogóle bierze się prąd elektryczny?

Pomimo pozornej prostoty pytania, niewielu jest w stanie udzielić na nie zrozumiałej odpowiedzi. Oczywiście w dzisiejszych czasach, gdy technologia rozwija się z niewiarygodną szybkością, ludzie nie zastanawiają się zbytnio nad tak podstawowymi sprawami, jak zasada działania prądu elektrycznego. Skąd pochodzi prąd? Z pewnością wielu odpowie: „No cóż, oczywiście z gniazdka” lub po prostu wzruszy ramionami. Tymczasem bardzo ważne jest zrozumienie, jak działa prąd. Powinno to być znane nie tylko naukowcom, ale także osobom niezwiązanym w żaden sposób ze światem nauki, ze względu na ich ogólny zróżnicowany rozwój. Ale nie każdy może kompetentnie korzystać z zasady działania prądu.

Najpierw więc powinieneś zrozumieć, że prąd nie pojawia się znikąd: jest wytwarzany przez specjalne generatory zlokalizowane w różnych elektrowniach. Dzięki obrotowi łopatek turbiny para powstająca podczas podgrzewania wody węglem lub olejem wytwarza energię, która następnie za pomocą generatora zamieniana jest na energię elektryczną. Konstrukcja generatora jest bardzo prosta: w środku urządzenia znajduje się ogromny i bardzo mocny magnes, który wymusza przemieszczanie się ładunków elektrycznych po miedzianych drutach.

W jaki sposób prąd elektryczny dociera do naszych domów?

Po wygenerowaniu określonej ilości prądu elektrycznego przy użyciu energii (cieplnej lub jądrowej) można go dostarczyć ludziom. To zaopatrzenie w energię elektryczną działa w następujący sposób: aby prąd skutecznie dotarł do wszystkich mieszkań i firm, musi być „wypychany”. W tym celu będziesz musiał zwiększyć siłę, która to zrobi. Nazywa się to napięciem prądu elektrycznego. Zasada działania jest następująca: prąd przepływa przez transformator, co zwiększa jego napięcie. Następnie prąd elektryczny przepływa kablami zainstalowanymi głęboko pod ziemią lub na wysokości (ponieważ napięcie osiąga czasami 10 000 woltów, co jest śmiertelne dla ludzi). Kiedy prąd osiągnie swój cel, musi ponownie przejść przez transformator, który teraz obniży jego napięcie. Następnie przemieszcza się przewodami do zainstalowanych rozdzielnic w budynkach mieszkalnych lub innych budynkach.

Energię elektryczną przepływającą przewodami można wykorzystać dzięki systemowi gniazd, podłączając do nich urządzenia AGD. W ścianach znajdują się dodatkowe przewody, którymi przepływa prąd elektryczny, dzięki czemu działa oświetlenie i całe wyposażenie domu.

Jaka jest aktualna praca?

Energia przenoszona przez prąd elektryczny z czasem przekształca się w światło lub ciepło. Na przykład, kiedy włączamy lampę, elektryczna forma energii zamienia się w światło.

Mówiąc najprościej, pracą prądu jest działanie, które wytworzyła sama energia elektryczna. Co więcej, można to bardzo łatwo obliczyć za pomocą wzoru. Na podstawie prawa zachowania energii możemy stwierdzić, że energia elektryczna nie uległa utracie, lecz została całkowicie lub częściowo przeniesiona do innej postaci, wydzielając pewną ilość ciepła. Ciepło to jest pracą wykonaną przez prąd przepływający przez przewodnik i podgrzewający go (następuje wymiana ciepła). Tak wygląda wzór Joule'a-Lenza: A = Q = U*I*t (praca jest równa ilości ciepła lub iloczynowi mocy prądu i czasu jego przepływu przez przewodnik).

Co oznacza prąd stały?

Prąd elektryczny jest dwojakiego rodzaju: przemienny i stały. Różnią się tym, że ten ostatni nie zmienia kierunku, ma dwa zaciski (dodatni „+” i ujemny „-”) i zawsze rozpoczyna swój ruch od „+”. A prąd przemienny ma dwa zaciski - fazę i zero. Właśnie ze względu na obecność jednej fazy na końcu przewodnika nazywa się go również jednofazowym.

Zasady projektowania jednofazowego prądu przemiennego i stałego są zupełnie inne: w przeciwieństwie do prądu stałego, prąd przemienny zmienia zarówno swój kierunek (tworząc przepływ zarówno od fazy do zera, jak i od zera do fazy), jak i swoją wielkość. Na przykład prąd przemienny okresowo zmienia wartość swojego ładunku. Okazuje się, że przy częstotliwości 50 Hz (50 drgań na sekundę) elektrony zmieniają kierunek swojego ruchu dokładnie 100 razy.

Gdzie używany jest prąd stały?

Prąd elektryczny ma pewne cechy. Ze względu na to, że płynie ona ściśle w jednym kierunku, trudniej jest ją przekształcić. Następujące elementy można uznać za źródła prądu stałego:

• baterie (zarówno alkaliczne, jak i kwasowe);
• zwykłe baterie stosowane w małych urządzeniach;
• a także różne urządzenia, takie jak konwertery.

Działanie prądu stałego

Jakie są jego główne cechy? Jest to praca i aktualna moc, a oba te pojęcia są ze sobą bardzo ściśle powiązane. Moc odnosi się do prędkości pracy w jednostce czasu (na 1 s). Zgodnie z prawem Joule'a-Lenza stwierdzamy, że praca wykonana przez stały prąd elektryczny jest równa iloczynowi natężenia samego prądu, napięcia i czasu, w którym została wykonana praca pola elektrycznego w celu przeniesienia ładunków wzdłuż konduktora.

Oto wzór na znalezienie pracy prądu, biorąc pod uwagę prawo Ohma dotyczące rezystancji przewodników: A = I 2 *R*t (praca równa się kwadratowi prądu pomnożonemu przez wartość rezystancji przewodnika i ponownie pomnożona przez czas, w którym praca została wykonana).

W przewodnikach w pewnych warunkach może wystąpić ciągły, uporządkowany ruch swobodnych nośników ładunku elektrycznego. Ten ruch nazywa się porażenie prądem. Za kierunek ruchu dodatnich ładunków swobodnych przyjmuje się kierunek prądu elektrycznego, chociaż w większości przypadków poruszają się elektrony – cząstki naładowane ujemnie.

Ilościową miarą prądu elektrycznego jest natężenie prądu I– skalarna wielkość fizyczna równa stosunkowi ładunku Q, przenoszony przez przekrój poprzeczny przewodnika w pewnym przedziale czasu T, do tego przedziału czasowego:

Jeśli prąd nie jest stały, aby znaleźć ilość ładunku przepływającego przez przewodnik, oblicz pole figury pod wykresem prądu w funkcji czasu.

Jeżeli natężenie prądu i jego kierunek nie zmieniają się w czasie, wówczas taki prąd nazywa się stały. Natężenie prądu mierzy się amperomierzem podłączonym szeregowo do obwodu. W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) prąd mierzy się w amperach [A]. 1 A = 1 C/s.

Wyznacza się go jako stosunek całkowitego ładunku do całego czasu (tj. zgodnie z tą samą zasadą, co średnia prędkość lub inna średnia wartość w fizyce):

Jeśli prąd zmienia się równomiernie w czasie od wartości I 1 do wartości I 2, wówczas średnią wartość prądu można obliczyć jako średnią arytmetyczną wartości skrajnych:

Gęstość prądu– prąd na jednostkę przekroju przewodu oblicza się ze wzoru:

Kiedy prąd przepływa przez przewodnik, prąd napotyka opór ze strony przewodnika. Przyczyną oporu jest oddziaływanie ładunków z atomami substancji przewodzącej i między sobą. Jednostką rezystancji jest 1 om. Rezystancja przewodnika R określone wzorem:

Gdzie: l– długość przewodu, S– jego pole przekroju poprzecznego, ρ – opór właściwy materiału przewodnika (należy uważać, aby nie pomylić tej ostatniej wartości z gęstością substancji), który charakteryzuje zdolność materiału przewodnika do przeciwstawiania się przepływowi prądu. Oznacza to, że jest to ta sama cecha substancji, co wiele innych: ciepło właściwe, gęstość, temperatura topnienia itp. Jednostką miary rezystywności jest 1 om-m. Specyficzna odporność substancji jest wartością tabelaryczną.

Opór przewodnika zależy również od jego temperatury:

Gdzie: R 0 – rezystancja przewodu w temperaturze 0°C, T– temperatura wyrażona w stopniach Celsjusza, α – współczynnik temperaturowy oporu. Jest ona równa względnej zmianie rezystancji wraz ze wzrostem temperatury o 1°C. W przypadku metali jest ona zawsze większa od zera, w przypadku elektrolitów przeciwnie, zawsze jest mniejsza od zera.

Dioda w obwodzie prądu stałego

Dioda jest nieliniowym elementem obwodu, którego rezystancja zależy od kierunku przepływu prądu. Dioda jest oznaczona następująco:

Strzałka na schemacie diody pokazuje, w jakim kierunku przepływa przez nią prąd. W tym przypadku jego rezystancja wynosi zero, a diodę można po prostu zastąpić przewodnikiem o zerowej rezystancji. Jeśli prąd przepływa przez diodę w przeciwnym kierunku, to dioda ma nieskończenie duży opór, to znaczy w ogóle nie przepuszcza prądu i jest obwodem otwartym. Następnie można po prostu przekreślić odcinek obwodu z diodą, ponieważ nie przepływa przez nią żaden prąd.

Prawo Ohma. Szeregowe i równoległe łączenie przewodów

Niemiecki fizyk G. Ohm w 1826 roku eksperymentalnie ustalił, że obecna siła I, płynący wzdłuż jednorodnego metalowego przewodnika (to znaczy przewodnika, w którym nie działają żadne siły zewnętrzne) z oporem R, proporcjonalna do napięcia U na końcach przewodu:

Rozmiar R zwykle tzw opór elektryczny. Nazywa się przewodnik posiadający opór elektryczny rezystor. Ten stosunek wyraża Prawo Ohma dla jednorodnego odcinka łańcucha: Prąd w przewodniku jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji przewodnika.

Nazywa się przewodniki przestrzegające prawa Ohma liniowy. Graficzna zależność siły prądu I od napięcia U(takie wykresy nazywane są charakterystykami prądowo-napięciowymi, w skrócie VAC) jest przedstawiana jako linia prosta przechodząca przez początek współrzędnych. Należy zauważyć, że istnieje wiele materiałów i urządzeń, które nie spełniają prawa Ohma, na przykład dioda półprzewodnikowa lub lampa wyładowcza. Nawet w przypadku przewodników metalowych przy wystarczająco wysokich prądach obserwuje się odchylenie od liniowego prawa Ohma, ponieważ opór elektryczny przewodników metalowych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Przewodniki w obwodach elektrycznych można łączyć na dwa sposoby: szeregowe i równoległe. Każda metoda ma swoje własne zasady.

1. Prawidłowości połączenia szeregowego:

Wzór na całkowitą rezystancję rezystorów połączonych szeregowo obowiązuje dla dowolnej liczby przewodów. Jeśli obwód jest połączony szeregowo N identyczne rezystancje R, a następnie całkowity opór R 0 można znaleźć ze wzoru:

2. Wzory połączenia równoległego:

Wzór na całkowitą rezystancję rezystorów połączonych równolegle obowiązuje dla dowolnej liczby przewodów. Jeśli obwód jest połączony równolegle N identyczne rezystancje R, a następnie całkowity opór R 0 można znaleźć ze wzoru:

Elektryczne przyrządy pomiarowe

Do pomiaru napięć i prądów w obwodach elektrycznych prądu stałego stosuje się specjalne przyrządy - woltomierze I amperomierze.

Woltomierz przeznaczony do pomiaru różnicy potencjałów przyłożonej do jego zacisków. Jest podłączony równolegle do odcinka obwodu, w którym mierzona jest różnica potencjałów. Każdy woltomierz ma pewien opór wewnętrzny R B. Aby woltomierz po podłączeniu do mierzonego obwodu nie powodował zauważalnej redystrybucji prądów, jego rezystancja wewnętrzna musi być duża w porównaniu z rezystancją odcinka obwodu, do którego jest podłączony.

Amperomierz przeznaczony do pomiaru prądu w obwodzie. Amperomierz jest podłączony szeregowo do otwartego obwodu obwodu elektrycznego, tak że przepływa przez niego cały mierzony prąd. Amperomierz ma również pewien opór wewnętrzny R A. W przeciwieństwie do woltomierza, rezystancja wewnętrzna amperomierza musi być dość mała w porównaniu z całkowitą rezystancją całego obwodu.

Pole elektromagnetyczne. Prawo Ohma dla pełnego obwodu

Aby istniał prąd stały, konieczne jest posiadanie w elektrycznym obwodzie zamkniętym urządzenia, które jest w stanie wytworzyć i utrzymać różnice potencjałów w odcinkach obwodu w wyniku działania sił pochodzenia nieelektrostatycznego. Takie urządzenia nazywane są Źródła prądu stałego. Nazywa się siły pochodzenia nieelektrostatycznego działające na nośniki swobodnego ładunku ze źródeł prądu siły zewnętrzne.

Charakter sił zewnętrznych może być różny. W ogniwach lub bateriach galwanicznych powstają w wyniku procesów elektrochemicznych, w generatorach prądu stałego siły zewnętrzne powstają, gdy przewodniki poruszają się w polu magnetycznym. Pod wpływem sił zewnętrznych ładunki elektryczne przemieszczają się wewnątrz źródła prądu wbrew siłom pola elektrostatycznego, dzięki czemu w obwodzie zamkniętym można utrzymać stały prąd elektryczny.

Gdy ładunki elektryczne poruszają się w obwodzie prądu stałego, pracę wykonują siły zewnętrzne działające wewnątrz źródeł prądu. Wielkość fizyczna równa współczynnikowi pracy A siły zewnętrzne podczas przemieszczania ładunku Q od bieguna ujemnego źródła prądu do bieguna dodatniego do wielkości tego ładunku źródło siły elektromotorycznej (EMF):

Zatem pole elektromagnetyczne jest określane na podstawie pracy wykonanej przez siły zewnętrzne podczas przemieszczania pojedynczego ładunku dodatniego. Siłę elektromotoryczną, podobnie jak różnicę potencjałów, mierzy się w woltach (V).

Prawo Ohma dla obwodu pełnego (zamkniętego): Natężenie prądu w obwodzie zamkniętym jest równe sile elektromotorycznej źródła podzielonej przez całkowitą rezystancję (wewnętrzną i zewnętrzną) obwodu:

Opór R– rezystancja wewnętrzna (własna) źródła prądu (zależy od wewnętrznej struktury źródła). Opór R– rezystancja obciążenia (rezystancja obwodu zewnętrznego).

Spadek napięcia w obwodzie zewnętrznym w tym przypadku jest równy (jest to również tzw napięcie na zaciskach źródła):

Ważne jest, aby zrozumieć i zapamiętać: pole elektromagnetyczne i rezystancja wewnętrzna źródła prądu nie zmieniają się, gdy podłączone są różne obciążenia.

Jeśli rezystancja obciążenia wynosi zero (źródło zamyka się samoczynnie) lub jest znacznie mniejsza niż rezystancja źródła, wówczas obwód będzie płynął prąd zwarciowy:

Prąd zwarciowy – maksymalny prąd, jaki można uzyskać z danego źródła siły elektromotorycznej ε i opór wewnętrzny R. W przypadku źródeł o niskiej rezystancji wewnętrznej prąd zwarciowy może być bardzo duży i spowodować zniszczenie obwodu elektrycznego lub źródła. Na przykład akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w samochodach mogą wykazywać prądy zwarciowe rzędu kilkuset amperów. Szczególnie niebezpieczne są zwarcia w sieciach oświetleniowych zasilanych z podstacji (tysiące amperów). Aby uniknąć destrukcyjnego wpływu tak dużych prądów, w obwodzie znajdują się bezpieczniki lub specjalne wyłączniki automatyczne.

Kilka źródeł pola elektromagnetycznego w obwodzie

Jeśli istnieje kilka emfów połączonych szeregowo, To:

1. Przy prawidłowym podłączeniu (biegun dodatni jednego źródła łączy się z biegunem ujemnym drugiego źródła) źródła są połączone, a całkowite pole elektromagnetyczne wszystkich źródeł i ich rezystancję wewnętrzną można obliczyć korzystając ze wzorów:

Na przykład takie podłączenie źródeł odbywa się w pilotach, aparatach i innych urządzeniach gospodarstwa domowego, które działają na kilku bateriach.

2. Jeżeli źródła są podłączone nieprawidłowo (źródła są połączone tymi samymi biegunami), ich całkowite pole elektromagnetyczne i rezystancję oblicza się ze wzorów:

W obu przypadkach wzrasta całkowita rezystancja źródeł.

Na połączenie równoległe Sensowne jest łączenie źródeł tylko z tym samym polem elektromagnetycznym, w przeciwnym razie źródła będą się rozładowywać ku sobie. Zatem całkowite pole elektromagnetyczne będzie takie samo, jak pole elektromagnetyczne każdego źródła, to znaczy przy połączeniu równoległym nie otrzymamy akumulatora o dużym polu elektromagnetycznym. Jednocześnie zmniejsza się rezystancja wewnętrzna akumulatora źródłowego, co pozwala uzyskać większy prąd i moc w obwodzie:

Takie jest znaczenie równoległego połączenia źródeł. W każdym razie przy rozwiązywaniu problemów należy najpierw znaleźć całkowite pole elektromagnetyczne i całkowity opór wewnętrzny powstałego źródła, a następnie zapisać prawo Ohma dla całego obwodu.

Praca i moc aktualna. Prawo Joule’a-Lenza

Stanowisko A prąd elektryczny I przepływa przez nieruchomy przewodnik z oporem R, zamienia się w ciepło Q, wyróżniający się na konduktorze. Pracę tę można obliczyć za pomocą jednego ze wzorów (biorąc pod uwagę prawo Ohma, wszystkie wynikają z siebie):

Prawo zamiany pracy prądu na ciepło zostało ustalone eksperymentalnie niezależnie od siebie przez J. Joule'a i E. Lenza i nazywa się Prawo Joule’a-Lenza. Moc prądu elektrycznego równy stosunkowi bieżącej pracy A do przedziału czasu Δ T, dla którego wykonano tę pracę, zatem można ją obliczyć korzystając ze wzorów:

Praca prądu elektrycznego w SI, jak zwykle, wyrażana jest w dżulach (J), moc - w watach (W).

Bilans energetyczny obiegu zamkniętego

Rozważmy teraz kompletny obwód prądu stałego składający się ze źródła o sile elektromotorycznej ε i opór wewnętrzny R oraz zewnętrzny jednorodny obszar z oporem R. W tym przypadku moc użyteczna lub moc uwalniana w obwodzie zewnętrznym:

Maksymalną możliwą użyteczną moc źródła osiąga się, jeśli R = R i jest równe:

Jeśli po podłączeniu do tego samego źródła prądu o różnych rezystancjach R 1 i R Przydzielono im 2 równe moce, wówczas rezystancję wewnętrzną tego źródła prądu można znaleźć według wzoru:

Strata mocy lub moc wewnątrz źródła prądu:

Całkowita moc wytwarzana przez obecne źródło:

Aktualna wydajność źródła:

Elektroliza

Elektrolity Zwyczajowo nazywa się ośrodki przewodzące, w których przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy przenoszenie materii. Nośnikami wolnych ładunków w elektrolitach są jony naładowane dodatnio i ujemnie. Elektrolity obejmują wiele związków metali z metaloidami w stanie stopionym, a także niektóre ciała stałe. Jednakże głównymi przedstawicielami elektrolitów szeroko stosowanych w technologii są wodne roztwory kwasów nieorganicznych, soli i zasad.

Przepływowi prądu elektrycznego przez elektrolit towarzyszy uwalnianie substancji na elektrodach. Zjawisko to nazywa się elektroliza.

Prąd elektryczny w elektrolitach reprezentuje ruch jonów obu znaków w przeciwnych kierunkach. Jony dodatnie przemieszczają się w kierunku elektrody ujemnej ( katoda), jony ujemne – do elektrody dodatniej ( anoda). Jony obu znaków pojawiają się w wodnych roztworach soli, kwasów i zasad w wyniku rozszczepienia niektórych obojętnych cząsteczek. Zjawisko to nazywa się dysocjacja elektrolityczna.

Prawo elektrolizy został eksperymentalnie ustalony przez angielskiego fizyka M. Faradaya w 1833 roku. Prawo Faradaya określa ilość produktów pierwotnych uwalnianych na elektrodach podczas elektrolizy. Zatem masa M substancja uwolniona na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ładunku Q przeszedł przez elektrolit:

Rozmiar k zwany odpowiednik elektrochemiczny. Można to obliczyć korzystając ze wzoru:

Gdzie: N– wartościowość substancji, N A – stała Avogadra, M– masa molowa substancji, mi– ładunek elementarny. Czasami wprowadza się również następujący zapis stałej Faradaya:

Prąd elektryczny w gazach i próżni

Prąd elektryczny w gazach

W normalnych warunkach gazy nie przewodzą prądu. Wyjaśnia to neutralność elektryczna cząsteczek gazu, a zatem brak nośników ładunku elektrycznego. Aby gaz stał się przewodnikiem, z cząsteczek należy usunąć jeden lub więcej elektronów. Pojawią się wtedy wolne nośniki ładunku - elektrony i jony dodatnie. Proces ten nazywa się jonizacja gazów.

Cząsteczki gazu mogą zostać zjonizowane pod wpływem czynników zewnętrznych - jonizator. Jonizatorami mogą być: strumień światła, promieniowanie rentgenowskie, strumień elektronów lub α -cząstki Cząsteczki gazu również ulegają jonizacji w wysokich temperaturach. Jonizacja prowadzi do pojawienia się w gazach wolnych nośników ładunku - elektronów, jonów dodatnich, jonów ujemnych (elektron połączony z cząsteczką obojętną).

Jeśli w przestrzeni zajmowanej przez zjonizowany gaz wytworzy się pole elektryczne, wówczas nośniki ładunku elektrycznego wejdą w uporządkowany ruch – w ten sposób w gazach powstaje prąd elektryczny. Jeśli jonizator przestanie działać, gaz ponownie stanie się neutralny, tak jak jest rekombinacja– tworzenie neutralnych atomów przez jony i elektrony.

Prąd elektryczny w próżni

Próżnia to stopień rozrzedzenia gazu, przy którym możemy pominąć zderzenie jego cząsteczek i założyć, że średnia droga swobodna przekracza wymiary liniowe naczynia, w którym znajduje się gaz.

Prąd elektryczny w próżni to przewodność szczeliny międzyelektrodowej w stanie próżni. Cząsteczek gazu jest tak mało, że ich procesy jonizacji nie są w stanie zapewnić liczby elektronów i jonów niezbędnych do jonizacji. Przewodność szczeliny międzyelektrodowej w próżni można zapewnić jedynie za pomocą naładowanych cząstek powstających w wyniku zjawisk emisyjnych na elektrodach.

• Z powrotem
• Do przodu

Jak skutecznie przygotować się do tomografii komputerowej z fizyki i matematyki?

Aby skutecznie przygotować się do egzaminu TK z fizyki i matematyki, należy spełnić trzy najważniejsze warunki:

1. Zapoznaj się ze wszystkimi tematami i wykonaj wszystkie testy i zadania podane w materiałach edukacyjnych na tej stronie. Aby to zrobić, nie potrzebujesz niczego, a mianowicie: poświęcaj trzy do czterech godzin dziennie na przygotowanie się do CT z fizyki i matematyki, studiowanie teorii i rozwiązywanie problemów. Faktem jest, że TK to egzamin, na którym nie wystarczy znać tylko fizykę czy matematykę, trzeba także umieć szybko i bezbłędnie rozwiązać dużą liczbę problemów o różnej tematyce i o różnym stopniu złożoności. Tego ostatniego można się nauczyć jedynie rozwiązując tysiące problemów.
2. Naucz się wszystkich wzorów i praw fizyki oraz wzorów i metod matematyki. W rzeczywistości jest to również bardzo proste; w fizyce jest tylko około 200 niezbędnych formuł, a w matematyce jeszcze trochę mniej. W każdym z tych przedmiotów istnieje kilkanaście standardowych metod rozwiązywania problemów o podstawowym poziomie złożoności, których również można się nauczyć, a co za tym idzie, całkowicie automatycznie i bez trudności rozwiązując większość CT we właściwym czasie. Potem będziesz musiał myśleć tylko o najtrudniejszych zadaniach.
3. Weź udział we wszystkich trzech etapach próbnych testów z fizyki i matematyki. Każdy RT można odwiedzić dwukrotnie, aby zdecydować się na obie opcje. Ponownie na CT oprócz umiejętności szybkiego i sprawnego rozwiązywania problemów oraz znajomości wzorów i metod trzeba także umieć odpowiednio zaplanować czas, rozłożyć siły i co najważniejsze poprawnie wypełnić formularz odpowiedzi, bez myląc liczbę odpowiedzi i problemów lub własne nazwisko. Ponadto podczas RT ważne jest, aby przyzwyczaić się do stylu zadawania pytań w problemach, który może wydawać się bardzo nietypowy dla nieprzygotowanej osoby w DT.

Pomyślne, sumienne i odpowiedzialne wdrożenie tych trzech punktów pozwoli Ci pokazać doskonały wynik na CT, maksimum tego, do czego jesteś zdolny.

Znalazłeś błąd?

Jeśli uważasz, że znalazłeś błąd w materiałach szkoleniowych, napisz o tym mailem. Możesz także zgłosić błąd w sieci społecznościowej (). W piśmie podaj temat (fizyka lub matematyka), nazwę lub numer tematu lub testu, numer zadania lub miejsce w tekście (stronie), w którym Twoim zdaniem znajduje się błąd. Opisz również, na czym polega podejrzewany błąd. Twój list nie pozostanie niezauważony, błąd zostanie poprawiony lub zostaniesz wyjaśniony, dlaczego nie jest to błąd.