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

Jak nazywa się aktualna siła? To pytanie pojawiło się więcej niż raz lub dwa razy w trakcie omawiania różnych kwestii. Dlatego postanowiliśmy zająć się tym bardziej szczegółowo i postaramy się, aby był jak najbardziej dostępny bez ogromnej liczby formuł i niezrozumiałych terminów.

Więc co nazywa się prądem elektrycznym? Jest to ukierunkowany strumień naładowanych cząstek. Ale czym są te cząstki, dlaczego nagle się poruszają i gdzie? To nie jest jasne. Przyjrzyjmy się więc temu zagadnieniu bardziej szczegółowo.

• Zacznijmy od pytania o naładowane cząstki, które w rzeczywistości są nośnikami prądu elektrycznego. Różnią się one różnymi substancjami. Na przykład, czym jest prąd elektryczny w metalach? To są elektrony. W gazach, elektronach i jonach; w półprzewodnikach - dziury; aw elektrolitach są to kationy i aniony.

• Te cząstki mają pewien ładunek. Może być pozytywny lub negatywny. Definicja ładunku dodatniego i ujemnego jest podana warunkowo. Cząstki o tym samym ładunku odpychają się nawzajem, a cząstki o przeciwnych ładunkach przyciągają.

• Na tej podstawie okazuje się logiczne, że ruch nastąpi od bieguna dodatniego do ujemnego. A im więcej naładowanych cząstek znajduje się na jednym naładowanym biegunie, tym więcej z nich przesunie się na biegun o innym znaku.
• Ale to wszystko jest głęboką teorią, więc weźmy konkretny przykład. Załóżmy, że mamy gniazdko, do którego nie są podłączone żadne urządzenia. Czy jest tam prąd?
• Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy wiedzieć, jakie są napięcie i prąd. Aby było to jaśniejsze, spójrzmy na to na przykładzie fajki z wodą. Mówiąc prościej, rura jest naszym drutem. Przekrój tej rury to napięcie sieci elektrycznej, a natężenie przepływu to nasz prąd elektryczny.
• Wracamy do naszego gniazdka. Jeśli narysujemy analogię z rurą, to gniazdem bez podłączonych do niego urządzeń elektrycznych jest rura zamknięta zaworem. Oznacza to, że nie ma prądu.

• Ale jest tam napięcie. A jeśli w rurze, aby pojawił się przepływ, konieczne jest otwarcie zaworu, to aby wytworzyć prąd elektryczny w przewodzie, konieczne jest podłączenie obciążenia. Można to zrobić, podłączając wtyczkę do gniazdka.
• Oczywiście jest to bardzo uproszczona prezentacja pytania, a niektórzy fachowcy znajdą u mnie wady i wytkną nieścisłości. Ale daje wyobrażenie o tym, co nazywa się prądem elektrycznym.

Prąd stały i przemienny

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

Prąd stały to prąd, który nie zmienia swojej wielkości i kierunku w czasie. Dość często prąd pulsujący jest również określany jako stały, ale porozmawiajmy o wszystkim w porządku.

• Prąd stały charakteryzuje się tym, że ta sama liczba ładunków elektrycznych stale zastępuje się w tym samym kierunku. Kierunek jest od jednego bieguna do drugiego.
• Okazuje się, że przewodnik zawsze ma ładunek dodatni lub ujemny. I z biegiem czasu to się nie zmieniło.

Notatka! Przy określaniu kierunku prądu stałego mogą wystąpić niespójności. Jeżeli prąd powstaje w wyniku ruchu dodatnio naładowanych cząstek, to jego kierunek odpowiada ruchowi cząstek. Jeżeli prąd powstaje w wyniku ruchu ujemnie naładowanych cząstek, to jego kierunek uważa się za przeciwny do ruchu cząstek.

• Ale pod pojęciem tego, jaki prąd stały jest często określany jako tak zwany prąd pulsujący. Różni się od stałej tylko tym, że jej wartość zmienia się w czasie, ale jednocześnie nie zmienia swojego znaku.
• Powiedzmy, że mamy prąd 5A. Dla prądu stałego wartość ta będzie niezmienna przez cały czas. Dla prądu pulsującego w jednym okresie będzie to 5, w kolejnym 4, aw trzecim 4,5. Ale jednocześnie w żadnym wypadku nie spada poniżej zera i nie zmienia swojego znaku.

• Ten tętniący prąd jest bardzo powszechny podczas konwersji prądu przemiennego na prąd stały. To ten pulsujący prąd wytwarza twój falownik lub mostek diodowy w elektronice.
• Jedną z głównych zalet prądu stałego jest to, że można go przechowywać. Możesz to zrobić własnymi rękami, używając baterii lub kondensatorów.

Prąd przemienny

Aby zrozumieć, czym jest prąd przemienny, musimy wyobrazić sobie sinusoidę. To właśnie ta płaska krzywa najlepiej charakteryzuje zmianę prądu stałego i jest standardem.

	Podobnie jak fala sinusoidalna, prąd przemienny zmienia swoją biegunowość ze stałą częstotliwością. W jednym okresie jest pozytywny, w innym negatywny.
	Dlatego bezpośrednio w przewodniku ruchu nie ma nośników ładunku jako takich. Aby to zrozumieć, wyobraź sobie falę rozbijającą się o brzeg. Porusza się w jednym kierunku, a potem w przeciwnym. W rezultacie woda wydaje się poruszać, ale pozostaje na swoim miejscu.
	Na tej podstawie dla prądu przemiennego bardzo ważnym czynnikiem staje się jego szybkość zmiany polaryzacji. Ten czynnik nazywa się częstotliwością. Im wyższa jest ta częstotliwość, tym częściej zmienia się polaryzacja prądu przemiennego na sekundę. W naszym kraju obowiązuje norma dla tej wartości - jest to 50Hz. Oznacza to, że prąd przemienny zmienia swoją wartość od skrajnie dodatniej do skrajnie ujemnej 50 razy na sekundę.
	Ale nie tylko prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz. Wiele urządzeń działa na prąd zmienny o różnych częstotliwościach. W końcu zmieniając częstotliwość prądu przemiennego można zmienić prędkość obrotową silników. Możesz także uzyskać wyższe szybkości przetwarzania danych - jak w chipsetach komputera i wiele więcej.

Notatka! Możesz wyraźnie zobaczyć, czym jest prąd przemienny i stały, na przykładzie zwykłej żarówki. Jest to szczególnie widoczne na niskiej jakości lampach diodowych, ale jeśli przyjrzysz się uważnie, możesz to zobaczyć również na zwykłej żarówce. Podczas pracy na prądzie stałym palą się stałym światłem, a podczas pracy na prądzie przemiennym lekko migoczą.

Co to jest gęstość mocy i prądu?

Cóż, dowiedzieliśmy się, co to jest prąd stały, a co 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: jakie jest napięcie prądu elektrycznego? Napięcie to różnica potencjałów między dwoma punktami.

• Natychmiast pojawia się pytanie, jaki jest potencjał? Teraz profesjonaliści znów znajdą u mnie błąd, ale ujmijmy to w ten sposób: to nadmiar naładowanych cząstek. To znaczy, jest jeden punkt, w którym występuje nadmiar naładowanych cząstek - i jest drugi punkt, w którym tych naładowanych cząstek jest mniej lub więcej. Ta różnica nazywana jest napięciem. Jest mierzony w woltach (V).

• Weźmy jako przykład zwykłe gniazdo. Wszyscy zapewne wiecie, że jego napięcie wynosi 220V. W gnieździe mamy dwa przewody, a napięcie 220V oznacza, że ​​potencjał jednego przewodu jest większy niż potencjał drugiego przewodu właśnie dla tych 220V.
• Potrzebujemy zrozumienia pojęcia napięcia, aby zrozumieć, jaka jest moc prądu elektrycznego. Chociaż z profesjonalnego punktu widzenia to stwierdzenie nie jest do końca prawdziwe. Prąd elektryczny nie ma mocy, ale jest jej pochodną.

• Aby zrozumieć ten punkt, wróćmy do naszej analogii z fajką wodną. Jak pamiętasz, przekrój tej rury to napięcie, a natężenie przepływu w rurze to prąd. A więc: moc to ilość wody, która przepływa przez tę rurę.
• Logiczne jest założenie, że przy równych przekrojach, to znaczy napięciach, im silniejszy przepływ, czyli prąd elektryczny, tym większy przepływ wody przez rurę. W związku z tym więcej mocy zostanie przekazane konsumentowi.
• Ale jeśli, analogicznie do wody, możemy przepuścić ściśle określoną ilość wody przez rurę o określonym odcinku, ponieważ woda nie kompresuje się, to z prądem elektrycznym nie jest tak. Przez dowolny przewodnik możemy teoretycznie przenosić dowolny prąd. Ale w praktyce przewodnik o małym przekroju przy wysokiej gęstości prądu po prostu się wypali.

• W związku z tym musimy zrozumieć, czym jest gęstość prądu. Z grubsza mówiąc, jest to liczba elektronów, które przemieszczają się przez pewien odcinek przewodnika w jednostce czasu.
• Ta liczba powinna być optymalna. W końcu, jeśli weźmiemy przewodnik o dużym przekroju i prześlemy przez niego mały prąd, cena takiej instalacji elektrycznej będzie wysoka. Jednocześnie, jeśli weźmiemy przewodnik o małym przekroju, to ze względu na dużą gęstość prądu przegrzeje się i szybko się wypali.
• W związku z tym PUE ma odpowiednią sekcję, która pozwala wybrać przewodniki na podstawie ekonomicznej gęstości prądu.

• Ale wracając do pojęcia, czym jest obecna moc? Jak rozumiemy przez naszą analogię, przy tym samym przekroju rury, przenoszona moc zależy tylko od aktualnej siły. Ale jeśli przekrój naszej rury zostanie zwiększony, to znaczy wzrośnie napięcie, w tym przypadku przy tych samych wartościach prędkości przepływu będą przesyłane zupełnie inne objętości wody. To samo dotyczy elektryczności.

• Im wyższe napięcie, tym mniej prądu jest potrzebne do przeniesienia tej samej mocy. Dlatego do przesyłania dużej mocy na duże odległości wykorzystywane są linie wysokiego napięcia.

W końcu linia o przekroju drutu 120 mm2 dla napięcia 330 kV jest w stanie przesyłać wielokrotnie więcej mocy w porównaniu z linią o tym samym przekroju, ale o napięciu 35 kV. Chociaż to, co nazywa się obecną siłą, będą takie same.

Metody przesyłania prądu elektrycznego

Jaki jest prąd i napięcie, które ustaliliśmy. Czas dowiedzieć się, jak rozprowadzić prąd elektryczny. Dzięki temu w przyszłości poczujesz się pewniej w kontaktach z urządzeniami elektrycznymi.

Jak już powiedzieliśmy, prąd może być zmienny i stały. W przemyśle iw twoich gniazdach używany jest prąd przemienny. Jest bardziej powszechny, ponieważ łatwiej jest go okablować. Faktem jest, że zmiana napięcia prądu stałego jest dość trudna i kosztowna, a napięcie prądu przemiennego można zmienić za pomocą zwykłych transformatorów.

Notatka! Żaden transformator AC nie będzie działał na DC. Ponieważ właściwości, z których korzysta, są nieodłączne tylko dla prądu przemiennego.

• Ale to wcale nie oznacza, że ​​prąd stały nie jest nigdzie używany. Ma inną przydatną właściwość, która nie jest nieodłączna od zmiennej. Można go gromadzić i przechowywać.
• W związku z tym prąd stały jest stosowany we wszystkich przenośnych urządzeniach elektrycznych, w transporcie kolejowym, a także w niektórych obiektach przemysłowych, w których konieczne jest utrzymanie sprawności nawet po całkowitej awarii zasilania.

• Baterie to najczęstszy sposób przechowywania energii elektrycznej. Mają specjalne właściwości chemiczne, które pozwalają im się akumulować, a następnie w razie potrzeby wydzielać prąd stały.
• Każda bateria ma ściśle ograniczoną ilość zmagazynowanej energii. Nazywa się to pojemnością akumulatora, a częściowo zależy od prądu rozruchowego akumulatora.
• Jaki jest prąd rozruchowy akumulatora? Jest to ilość energii, jaką akumulator jest w stanie oddać w samym początkowym momencie podłączenia obciążenia. Faktem jest, że w zależności od właściwości fizycznych i chemicznych baterie różnią się sposobem uwalniania nagromadzonej energii.

• Niektórzy mogą dawać od razu i dużo. Z tego powodu są oczywiście szybko rozładowywane. A drugie dają długo, ale trochę. Ponadto ważnym aspektem baterii jest zdolność do utrzymywania napięcia.
• Faktem jest, że, jak mówią instrukcje, w przypadku niektórych akumulatorów wraz z powrotem pojemności ich napięcie również stopniowo spada. A inne akumulatory są w stanie oddać prawie całą pojemność przy tym samym napięciu. W oparciu o te podstawowe właściwości, te magazyny są wybierane dla energii elektrycznej.
• Do transmisji prądu stałego we wszystkich przypadkach używane są dwa przewody. To jest przewód dodatni i ujemny. Czerwony i niebieski.

Prąd przemienny

Ale przy prądzie przemiennym wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane. Może być przesyłany jednym, dwoma, trzema lub czterema przewodami. Aby to wyjaśnić, musimy poradzić sobie z pytaniem: czym jest prąd trójfazowy?

• Prąd przemienny jest generowany przez generator. Zwykle prawie wszystkie mają strukturę trójfazową. Oznacza to, że generator ma trzy wyjścia, a każde z tych wyjść wytwarza prąd elektryczny różniący się od poprzednich o kąt 120⁰.

• Aby to zrozumieć, przypomnijmy sobie naszą sinusoidę, która jest wzorem do opisu prądu przemiennego i zgodnie z prawami, według których się zmienia. Weźmy trzy fazy - "A", "B" i "C" i weźmy pewien punkt w czasie. W tym momencie sinusoida fazy „A” znajduje się w punkcie zerowym, sinusoida fazy „B” znajduje się w skrajnie dodatnim punkcie, a sinusoida fazy „C” znajduje się w skrajnie ujemnym punkcie.
• Z każdą kolejną jednostką czasu prąd przemienny w tych fazach będzie się zmieniał, ale synchronicznie. Oznacza to, że po pewnym czasie w fazie „A” wystąpi ujemne maksimum. W fazie „B” będzie zero, aw fazie „C” - dodatnie maksimum. A po chwili znowu się zmienią.

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

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

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

Wniosek

Czym jest prąd indukcyjny, prąd pojemnościowy, prąd rozruchowy, prąd bez obciążenia, prądy składowej przeciwnej, prądy błądzące i wiele więcej, po prostu nie możemy rozważyć w jednym artykule.

W końcu kwestia prądu elektrycznego jest dość obszerna, a do jej rozważenia stworzono całą naukę elektrotechniki. Ale naprawdę mamy nadzieję, że udało nam się wyjaśnić główne aspekty tego problemu w przystępnym języku, a teraz prąd elektryczny nie będzie dla ciebie czymś strasznym i niezrozumiałym.

Co to jest prąd elektryczny?

Kierunkowy ruch cząstek naładowanych elektrycznie pod wpływem . Takimi cząstkami mogą być: w przewodnikach - elektrony, w elektrolitach - jony (kationy i aniony), w półprzewodnikach - elektrony i tzw. "dziury" ("przewodnictwo dziury elektronowej"). Istnieje również „prąd polaryzacji”, którego przepływ wynika z procesu ładowania pojemności, tj. zmiana różnicy potencjałów między płytami. Między płytami nie ma ruchu cząstek, ale prąd przepływa przez kondensator.

W teorii obwodów elektrycznych prąd jest uważany za ukierunkowany ruch nośników ładunku w ośrodku przewodzącym pod działaniem pola elektrycznego.

Prąd przewodzenia (po prostu prąd) w teorii obwodów elektrycznych to ilość energii elektrycznej przepływającej w jednostce czasu przez przekrój przewodu: i \u003d q / t, gdzie i jest prądem. ALE; q \u003d 1,6 10 9 - ładunek elektronu, C; t - czas, s.

To wyrażenie dotyczy obwodów prądu stałego. W przypadku obwodów prądu przemiennego stosuje się tak zwaną wartość prądu chwilowego, równą szybkości zmiany ładunku w czasie: i (t) \u003d dq / dt.

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

Zamiast terminu „prąd” („wartość bieżąca”) 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 w jednostce czasu przez krzyż -przekrój przewodnika.
Charakteryzuje się prąd, który w układzie SI jest mierzony w amperach (A), oraz gęstość prądu, która w układzie SI jest mierzona w amperach na metr kwadratowy.
Jeden amper odpowiada ruchowi przez przekrój przewodnika przez jedną sekundę (s) ładunku elektrycznego jednej zawieszki (C):

1A = 1C/s.

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

ja = dq / dt.

Jednostką prądu jest amper (A). Prąd w przewodzie wynosi 1 A, jeśli ładunek elektryczny równy 1 zawieszce przechodzi przez przekrój przewodu w ciągu 1 sekundy.

Jeśli napięcie działa wzdłuż przewodnika, wewnątrz przewodnika powstaje pole elektryczne. Gdy natężenie pola E, na elektrony z ładunkiem e wpływa siła f = Ee. Wartości f i E są wektorowe. W czasie drogi swobodnej elektrony nabierają ruchu ukierunkowanego wraz z ruchem chaotycznym. Każdy elektron ma ładunek ujemny i otrzymuje składową prędkości skierowaną przeciwnie do wektora E (rys. 1). Ruch uporządkowany, charakteryzujący się pewną średnią prędkością elektronów vcp, determinuje przepływ prądu elektrycznego.

Elektrony mogą również mieć ukierunkowany ruch w rozrzedzonych gazach. W elektrolitach i zjonizowanych gazach przepływ prądu wynika głównie z ruchu jonów. W związku z faktem, że w elektrolitach jony naładowane dodatnio przemieszczają się z bieguna dodatniego do bieguna ujemnego, historycznie kierunek prądu przyjmowano jako przeciwny do kierunku ruchu elektronu.

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

Wartość równa stosunkowi prądu do pola przekroju S nazywana jest gęstością prądu (oznaczoną δ): δ= JEST

Zakłada się, że prąd jest równomiernie rozłożony na przekroju przewodu. Gęstość prądu w przewodach jest zwykle mierzona w A/mm2.

Rozróżnia się je w zależności od rodzaju nośników ładunków elektrycznych i ośrodka ich przemieszczania prądy przewodzenia i prądy przemieszczenia. Przewodnictwo dzieli się na elektroniczne i jonowe. W przypadku trybów stałych rozróżnia się dwa rodzaje prądów: stały i przemienny.

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

Prąd przesunięcia elektrycznego (prąd polaryzacji) zwany uporządkowanym ruchem związanych nośników ładunków elektrycznych. Ten rodzaj prądu można zaobserwować w dielektrykach.
Pełny prąd elektryczny jest wartością skalarną równą sumie prądu przewodzenia elektrycznego, prądu transferu elektrycznego i prądu przesunięcia elektrycznego przez rozważaną powierzchnię.

Prąd stały 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.Wielkości charakteryzującą prąd przemienny jest częstotliwość (w układzie SI jest mierzona w hercach), w przypadku gdy jego siła zmienia się okresowo. Prąd przemienny wysokiej częstotliwości wypchnięty na powierzchnię przewodnika. Prądy wysokiej częstotliwości są stosowane w inżynierii mechanicznej do obróbki cieplnej powierzchni części i spawania, w metalurgii do topienia metali.Prądy przemienne dzielą się na sinusoidalne i niesinusoidalny. Prąd sinusoidalny to prąd, który zmienia się zgodnie z prawem harmonicznym:

i = jestem grzech ωt,

Charakteryzuje się nim szybkość zmian prądu przemiennego, definiowana jako liczba pełnych powtarzalnych oscylacji w jednostce czasu. Częstotliwość jest oznaczona literą f i jest mierzona w hercach (Hz). Tak więc częstotliwość prądu w sieci 50 Hz odpowiada 50 całkowitym oscylacjom na sekundę. Częstotliwość kątowa ω jest szybkością zmiany prądu w radianach na sekundę i jest powiązana z częstotliwością prostą zależnością:

ω = 2πf

Stałe (stałe) wartości prądów stałych i przemiennych oznacz z dużej litery I wartości niestabilne (chwilowe) - literą i. Warunkowo dodatni kierunek prądu jest uważany za kierunek ruchu ładunków dodatnich.

Jest to prąd, który z biegiem czasu zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym.

Prąd przemienny oznacza również prąd w konwencjonalnych sieciach jedno- i trójfazowych. W takim 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 oscylować - przepływać z jednego miejsca w obwodzie do drugiego iz powrotem. W tym 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, w grę wchodzą efekty samoindukcji, które stają się znaczące nawet przy niskich częstotliwościach, jeśli stosuje się cewki o dużych indukcyjnościach. Przy stosunkowo niskich częstotliwościach obwody prądu przemiennego nadal można obliczyć za pomocą , które jednak należy odpowiednio zmodyfikować.

Obwód zawierający różne rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory można uznać za złożony z uogólnionego rezystora, kondensatora i cewki indukcyjnej połączonych szeregowo.

Rozważ właściwości takiego obwodu podłączonego do alternatora sinusoidalnego. W celu sformułowania zasad projektowania obwodów prądu przemiennego konieczne jest znalezienie zależności między spadkiem napięcia a prądem dla każdego z elementów takiego obwodu.

Pełni zupełnie inne role w obwodach AC i DC. Jeśli na przykład element elektrochemiczny zostanie podłączony do obwodu, kondensator zacznie się ładować, aż napięcie na nim stanie się równe sile elektromotorycznej elementu. Następnie ładowanie zostanie zatrzymane, a prąd spadnie do zera. Jeśli obwód jest podłączony do alternatora, to w jednym półcyklu elektrony będą płynąć z lewej strony kondensatora i gromadzą się po prawej, i odwrotnie w drugim. Te poruszające się elektrony są prądem przemiennym, którego siła jest taka sama po obu stronach kondensatora. Dopóki częstotliwość prądu przemiennego nie jest bardzo wysoka, prąd płynący przez rezystor i cewkę jest również taki sam.

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

Przewodniki elektryczne

Materiał, w którym płynie prąd, jest nazywany. Niektóre materiały stają się nadprzewodzące w niskich temperaturach. W tym stanie prawie nie stawiają oporu prądowi, ich rezystancja dąży do zera. We wszystkich innych przypadkach przewodnik opiera się przepływowi prądu, w wyniku czego część energii cząstek elektrycznych jest przekształcana w ciepło. Natężenie prądu można obliczyć za pomocą dla odcinka obwodu i prawa Ohma dla całego obwodu.

Prędkość 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 rzeczywistego prądu elektrycznego jest równa prędkości światła w danym ośrodku, czyli prędkości propagacji czoła fali elektromagnetycznej.

Jak prąd wpływa na organizm człowieka

Prąd przepływający przez ciało ludzkie lub zwierzęce może spowodować oparzenia elektryczne, migotanie lub śmierć. Z drugiej strony prąd elektryczny jest używany na intensywnej terapii, w leczeniu chorób psychicznych, zwłaszcza depresji, stymulacja elektryczna niektórych obszarów mózgu jest stosowana w leczeniu chorób, takich jak choroba Parkinsona i padaczka, rozrusznik stymulujący mięsień sercowy z prądem pulsacyjnym stosuje się do bradykardii. U ludzi i zwierząt prąd służy do przekazywania impulsów nerwowych.

Zgodnie z zasadami bezpieczeństwa minimalny odczuwalny prąd wynosi 1 mA. Prąd staje się niebezpieczny dla ludzkiego życia, począwszy od natężenia około 0,01 A. Prąd staje się śmiertelny dla osoby, począwszy od natężenia około 0,1 A. Napięcie poniżej 42 V uważa się za bezpieczne.

Bez prądu nie można sobie wyobrazić życia współczesnego człowieka. Wolty, Ampery, Waty – te słowa słychać w rozmowie o urządzeniach zasilanych energią elektryczną. Ale czym jest ten prąd elektryczny i jakie są warunki jego istnienia? Porozmawiamy o tym dalej, podając krótkie wyjaśnienie dla początkujących elektryków.

Definicja

Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch nośników ładunku - to standardowe sformułowanie z podręcznika fizyki. Z kolei pewne cząstki materii nazywane są nośnikami ładunku. Oni mogą być:

• Elektrony są ujemnymi nośnikami ładunku.
• Jony są dodatnimi nośnikami ładunku.

Ale skąd pochodzą przewoźnicy opłat? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz pamiętać o podstawowej wiedzy o budowie materii. Wszystko co nas otacza jest materią, składa się z cząsteczek, jej najmniejszych cząsteczek. 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 środowiska na nią, takiego jak temperatura, naprężenie i tak dalej.

Jon to atom, w którym zmienił się stosunek elektronów do protonów. Jeśli atom jest początkowo obojętny, to z kolei jony dzielą się na:

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

Jednostką prądu jest Amper, zgodnie z nią obliczana jest według wzoru:

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

Lub wprost proporcjonalnie do kwoty opłaty przekazanej w jednostce czasu:

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

Warunki istnienia prądu elektrycznego

Dowiedzieliśmy się, czym jest prąd elektryczny, teraz porozmawiajmy o tym, jak zapewnić jego przepływ. Aby prąd elektryczny płynął, muszą być spełnione dwa warunki:

1. Obecność bezpłatnych przewoźników.
2. Pole elektryczne.

Pierwszy warunek istnienia i przepływu elektryczności zależy od substancji, w której płynie prąd (lub nie płynie), a także od jej stanu. Drugi warunek jest również możliwy: dla istnienia pola elektrycznego konieczna jest obecność różnych potencjałów, między którymi znajduje się ośrodek, w którym będą płynąć nośniki ładunku.

Przypomnienie sobie czegoś: Napięcie, EMF to różnica potencjałów. Wynika z tego, że do spełnienia warunków istnienia prądu - obecności pola elektrycznego i prądu elektrycznego potrzebne jest napięcie. Mogą to być płytki naładowanego kondensatora, ogniwa galwanicznego, pola elektromagnetycznego powstałego pod wpływem pola magnetycznego (generatora).

Zorientowaliśmy się, jak to powstaje, porozmawiajmy o tym, gdzie jest skierowany. Prąd, w zasadzie w naszym zwykłym użyciu, porusza się w przewodnikach (okablowanie elektryczne w mieszkaniu, żarówki) lub w półprzewodnikach (diody LED, procesor smartfona i inna elektronika), rzadziej w gazach (świetlówki).

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

Ciekawostką jest jednak to, że za kierunek obecnego ruchu przyjęto ruch ładunków dodatnich – od plusa do minusa. Chociaż w rzeczywistości dzieje się odwrotnie. Faktem jest, że decyzja o kierunku prądu została podjęta przed zbadaniem jego natury, a także przed ustaleniem, dzięki czemu prąd płynie i istnieje.

Prąd elektryczny w różnych środowiskach

Wspomnieliśmy już, że w różnych mediach prąd elektryczny może różnić się rodzajem nośników ładunku. Media można podzielić zgodnie z charakterem przewodnictwa (w porządku malejącym przewodnictwa):

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

w metalach

Metale zawierają bezpłatne nośniki opłat i są czasami określane jako „gaz elektryczny”. Skąd pochodzą przewoźnicy bez opłat? Faktem jest, że metal, jak każda substancja, składa się z atomów. Atomy jakoś się poruszają lub oscylują. Im wyższa temperatura metalu, tym silniejszy ruch. Jednocześnie same atomy na ogół pozostają na swoich miejscach, faktycznie tworząc strukturę metalu.

W powłokach elektronowych atomu jest zwykle kilka elektronów, które mają raczej słabe wiązanie z jądrem. Pod wpływem temperatur, reakcji chemicznych i oddziaływania zanieczyszczeń, które i tak znajdują się w metalu, elektrony odrywają się od ich atomów, powstają dodatnio naładowane jony. Oderwane elektrony nazywane są wolnymi i poruszają się losowo.

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

w półprzewodnikach

Półprzewodniki to materiały, w których w normalnym stanie nie ma bezpłatnych nośników opłat. Znajdują się w tzw. strefie zakazanej. Ale jeśli przyłoży się siły zewnętrzne, takie jak pole elektryczne, ciepło, różne promieniowanie (światło, promieniowanie itp.), pokonują one pasmo wzbronione i przechodzą do pasma swobodnego lub pasma przewodnictwa. Elektrony odrywają się od swoich atomów i stają się wolne, tworząc jony - dodatnie nośniki ładunku.

Nośniki dodatnie w półprzewodnikach nazywane są dziurami.

Jeśli po prostu przeniesiesz energię do półprzewodnika, na przykład go podgrzejesz, rozpocznie się chaotyczny ruch nośników ładunku. Ale jeśli mówimy o elementach półprzewodnikowych, takich jak dioda lub tranzystor, to na przeciwległych końcach kryształu (nakłada się na nie warstwę metaliczną i lutuje wyprowadzenia) pojawi się EMF, ale to nie dotyczy do tematu dzisiejszego artykułu.

Jeśli przyłożysz źródło pola elektromagnetycznego do półprzewodnika, wówczas nośniki ładunku również przesuną się w pasmo przewodnictwa i rozpocznie się ich ukierunkowany ruch - dziury pójdą w bok z niższym potencjałem elektrycznym, a elektrony - w bok z większy.

W próżni i gazie

Próżnia to medium z całkowitym (przypadek idealnym) brakiem gazów lub z minimalną (w rzeczywistości) ich ilością. Ponieważ w próżni nie ma materii, nie ma źródła nośników ładunku. Jednak przepływ prądu w próżni oznaczał początek elektroniki i całej ery elementów elektronicznych - lamp próżniowych. Stosowano je w pierwszej połowie ubiegłego wieku, a w latach 50. zaczęły stopniowo ustępować miejsca tranzystorom (w zależności od specyfiki dziedziny elektroniki).

Załóżmy, że mamy naczynie, z którego cały gaz został wypompowany, czyli to jest kompletna próżnia. W naczyniu umieszczone są dwie elektrody, nazwijmy je anodą i katodą. Jeśli połączymy ujemny potencjał źródła EMF z katodą, a dodatni z anodą, nic się nie stanie i nie popłynie żaden prąd. Ale jeśli zaczniemy grzać katodę, prąd zacznie płynąć. Proces ten nazywa się emisją termionową - emisją elektronów z nagrzanej powierzchni elektronu.

Rysunek przedstawia proces przepływu prądu w lampie próżniowej. W lampach próżniowych katoda jest ogrzewana przez pobliski żarnik na ryc. (H), taki jak w lampie oświetleniowej.

Jednocześnie, jeśli zmienisz polaryzację zasilania - zastosujesz minus do anody i zastosujesz plus do katody - prąd nie popłynie. To udowodni, że prąd w próżni płynie z powodu ruchu elektronów z KATODY do ANODY.

Gaz, jak każda substancja, składa się z cząsteczek i atomów, co oznacza, że ​​jeśli gaz znajduje się pod wpływem pola elektrycznego, to przy określonej sile (napięcie jonizacji) elektrony oderwą się od atomu, wtedy oba warunki dla przepływu prądu elektrycznego zostanie spełniony - pole i wolne media.

Jak już wspomniano, proces ten nazywa się jonizacją. Może wystąpić nie tylko z przyłożonego napięcia, ale także z podgrzewania gazu, promieniowania rentgenowskiego, pod wpływem ultrafioletu i innych rzeczy.

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 medium gazowym nazywamy wyładowaniem gazowym.

w płynie

Załóżmy, że mamy naczynie z wodą, w którym umieszczone są dwie elektrody, do których podłączone jest źródło zasilania. Jeśli woda jest destylowana, czyli 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 elektryczność poprzez dysocjację na jony.

Jeśli do wody doda się siarczan miedzi, wówczas warstwa miedzi osiądzie na jednej z elektrod (katodzie) - nazywa się to elektrolizą, co dowodzi, że prąd elektryczny w cieczy odbywa się dzięki ruchowi jonów - dodatnich i ujemne nośniki ładunku.

Elektroliza to proces fizykochemiczny, polegający na rozdzieleniu na elektrodach składników tworzących elektrolit.

W ten sposób dochodzi do miedziowania, złocenia i pokrywania innymi metalami.

Wniosek

Podsumowując, do przepływu prądu elektrycznego potrzebne są bezpłatne 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 został uporządkowany, potrzebne jest pole elektryczne. Mówiąc prościej, przyłóż napięcie na końcach ciała lub zainstaluj dwie elektrody w środowisku, w którym spodziewany jest przepływ prądu elektrycznego.

Warto również zauważyć, że prąd w pewien sposób wpływa na substancję, istnieją trzy rodzaje narażenia:

• termiczny;
• chemiczny;
• fizyczny.

Użyteczne

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

Skąd pochodzi prąd elektryczny?

Pomimo pozornej prostoty pytania, niewielu jest w stanie udzielić na nie zrozumiałej odpowiedzi. Oczywiście w dzisiejszych czasach, gdy technologia rozwija się z niesamowitą prędkością, człowiek nie myśli szczególnie o tak elementarnych rzeczach, jak zasada działania prądu elektrycznego. Skąd pochodzi prąd? Z pewnością wielu odpowie „No cóż, oczywiście z oczodołu” lub po prostu wzruszy ramionami. Tymczasem bardzo ważne jest, aby zrozumieć, jak działa prąd. Powinno to być znane nie tylko naukowcom, ale także ludziom niezwiązanym w żaden sposób ze światem nauk, ze względu na ich ogólny wszechstronny rozwój. Ale umiejętność prawidłowego stosowania zasady bieżącego działania nie jest dla każdego.

Na początek powinieneś zrozumieć, że energia elektryczna nie powstaje znikąd: jest wytwarzana przez specjalne generatory znajdujące się w różnych elektrowniach. Dzięki pracy obracającej się łopatek turbin para uzyskana w wyniku podgrzewania wody węglem lub olejem wytwarza energię, która następnie za pomocą generatora zamieniana jest na energię elektryczną. Generator jest bardzo prosty: w centrum urządzenia znajduje się ogromny i bardzo silny magnes, który powoduje przemieszczanie się ładunków elektrycznych po miedzianych przewodach.

Jak prąd dociera do naszych domów?

Po uzyskaniu określonej ilości prądu elektrycznego za pomocą energii (cieplnej lub jądrowej) można go dostarczyć ludziom. Taka dostawa energii elektrycznej działa w następujący sposób: aby energia elektryczna mogła z powodzeniem dotrzeć do wszystkich mieszkań i przedsiębiorstw, musi zostać „pchnięta”. I do tego musisz zwiększyć siłę, która to zrobi. Nazywa się to napięciem prądu elektrycznego. Zasada działania jest następująca: prąd przepływa przez transformator, co zwiększa jego napięcie. Ponadto prąd elektryczny przepływa przez kable zainstalowane głęboko pod ziemią lub na wysokości (ponieważ napięcie czasami sięga 10 000 woltów, co jest śmiertelne dla ludzi). Kiedy prąd dotrze do celu, musi ponownie przejść przez transformator, który teraz zmniejszy jego napięcie. Następnie przechodzi przez przewody do ekranów zainstalowanych w budynkach mieszkalnych lub innych budynkach.

Energia elektryczna prowadzona przewodami może być wykorzystana dzięki systemowi gniazd, łączących z nimi urządzenia AGD. W ścianach prowadzone są dodatkowe przewody, przez które przepływa prąd elektryczny, a dzięki temu działa oświetlenie i wszystkie urządzenia w domu.

Jaka jest aktualna praca?

Energia, którą niesie w sobie prąd elektryczny, z czasem przekształca się w światło lub ciepło. Na przykład, gdy włączamy lampę, elektryczna forma energii zamienia się w światło.

Mówiąc przystępnym językiem, praca prądu to działanie, które wytworzyła sama energia elektryczna. Co więcej, można go bardzo łatwo obliczyć za pomocą wzoru. Na podstawie prawa zachowania energii możemy stwierdzić, że energia elektryczna nie zniknęła, zmieniła się całkowicie lub częściowo w inną postać, wydzielając jednocześnie pewną ilość ciepła. Ciepło to jest pracą prądu, który przepływa przez przewodnik i go ogrzewa (zachodzi wymiana ciepła). Tak wygląda formuła Joule-Lenza: A \u003d Q \u003d U * I * t (praca jest równa ilości ciepła lub iloczynowi aktualnej mocy i czasu, w którym przepływał przez przewodnik).

Co oznacza prąd stały?

Prąd elektryczny jest dwojakiego rodzaju: przemienny i bezpośredni. Różnią się tym, że ten ostatni nie zmienia kierunku, ma dwa zaciski (dodatni „+” i ujemny „-”) i zawsze zaczyna swój ruch od „+”. A prąd przemienny ma dwa zaciski - fazowy i zerowy. To ze względu na obecność jednej fazy na końcu przewodu nazywa się ją również jednofazową.

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

Gdzie jest używany prąd stały?

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

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

Praca DC

Jakie są jego główne cechy? Są to praca i aktualna władza, a oba te pojęcia są ze sobą bardzo ściśle powiązane. Moc oznacza szybkość pracy w jednostce czasu (na 1 s). Zgodnie z prawem Joule'a-Lenza stwierdzamy, że praca stałego prądu elektrycznego jest równa iloczynowi siły samego prądu, napięcia i czasu, w którym praca pola elektrycznego została zakończona w celu przeniesienia ładunków wzdłuż dyrygent.

Tak wygląda wzór na znalezienie pracy prądu, biorąc pod uwagę prawo oporu Ohma w przewodnikach: A \u003d I 2 * R * t (praca jest równa kwadratowi natężenia prądu pomnożonemu przez wartość rezystancji przewodnika i jeszcze raz pomnożona przez wartość czasu, przez który praca została wykonana).

W przewodnikach, w określonych warunkach, może zachodzić ciągły uporządkowany ruch nośników swobodnego ładunku elektrycznego. Taki ruch nazywa się wstrząs elektryczny. Za kierunek przepływu prądu elektrycznego przyjmuje się kierunek ruchu dodatnich ładunków swobodnych, choć w większości przypadków poruszają się elektrony - cząstki naładowane ujemnie.

Miarą ilościową prądu elektrycznego jest siła prądu I jest skalarną wielkością fizyczną równą stosunkowi ładunku q, przeniesiony przez przekrój przewodu na odstęp czasu t, do tego przedziału czasowego:

Jeśli prąd nie jest stały, to aby znaleźć ilość ładunku przepuszczonego przez przewodnik, obliczany jest obszar pod wykresem zależności natężenia prądu od czasu.

Jeśli siła prądu i jego kierunek nie zmieniają się z czasem, wówczas taki prąd nazywa się stały. Natężenie prądu jest mierzone amperomierzem, który jest połączony szeregowo z obwodem. W Międzynarodowym Układzie Jednostek SI prąd jest mierzony w amperach [A]. 1 A = 1 C/s.

Znajduje się jako stosunek całkowitego ładunku do całkowitego czasu (tj. Zgodnie z tą samą zasadą, co średnia prędkość lub jakakolwiek inna średnia wartość w fizyce):

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

gęstość prądu- natężenie prądu na jednostkę przekroju przewodu oblicza się według wzoru:

Kiedy prąd przepływa przez przewodnik, napotyka opór przewodnika. Powodem oporu jest interakcja ładunków z atomami substancji przewodnika i ze sobą. Jednostką rezystancji jest 1 om. Rezystancja przewodu R określa wzór:

gdzie: ja- długość przewodu, S jest jego polem przekroju, ρ - rezystywność materiału przewodnika (należy uważać, aby nie pomylić tej ostatniej wartości z gęstością substancji), która charakteryzuje odporność materiału przewodnika na przepływ prądu. Oznacza to, że jest to ta sama cecha substancji, co wiele innych: właściwa pojemność cieplna, gęstość, temperatura topnienia itp. Jednostką miary rezystywności jest 1 Ohm m. Specyficzna odporność substancji jest wartością tabelaryczną.

Rezystancja przewodnika zależy również od jego temperatury:

gdzie: R 0 – rezystancja przewodu przy 0°С, t to temperatura wyrażona w stopniach Celsjusza, α to współczynnik temperaturowy oporu. Odpowiada względnej zmianie rezystancji przy wzroście temperatury o 1°C. Dla metali jest zawsze większy od zera, dla elektrolitów przeciwnie, jest zawsze mniejszy od zera.

Dioda w obwodzie DC

Dioda- Jest to nieliniowy element obwodu, którego rezystancja zależy od kierunku przepływu prądu. Dioda oznaczona jest następująco:

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

Prawo Ohma. Szeregowe i równoległe połączenie przewodów

Niemiecki fizyk G. Ohm w 1826 roku eksperymentalnie ustalił, że obecna siła I, przepływający przez jednorodny przewodnik metalowy (czyli przewodnik, w którym nie działają siły zewnętrzne) z oporem R, proporcjonalny do napięcia U na końcach przewodu:

wartość R nazywa opór elektryczny. Nazywa się przewodnik o oporności elektrycznej rezystor. Ten stosunek wyraża Prawo Ohma dla jednorodnej części obwodu: Siła prądu w przewodniku jest wprost proporcjonalna do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalna do rezystancji przewodnika.

Przewodniki, które przestrzegają prawa Ohma, nazywane są liniowy. Graficzna zależność aktualnej siły I z napięcia U(takie wykresy nazywane są charakterystykami prądowo-napięciowymi, w skrócie VAC) są przedstawione linią prostą przechodzącą przez początek. Należy zauważyć, że istnieje wiele materiałów i urządzeń, które nie przestrzegają prawa Ohma, np. dioda półprzewodnikowa czy 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.

Przewody w obwodach elektrycznych można łączyć na dwa sposoby: szereg i równoległość. Każda metoda ma swoje własne wzorce.

1. Wzory połączenia szeregowego:

Wzór na całkowitą rezystancję rezystorów połączonych szeregowo obowiązuje dla dowolnej liczby przewodów. Jeśli obwód jest połączony szeregowo n ten sam opór R, to całkowity opór R 0 znajduje się według wzoru:

2. Wzory połączenia równoległego:

Wzór na całkowitą rezystancję rezystorów połączonych równolegle obowiązuje dla dowolnej liczby przewodów. Jeśli obwód jest połączony równolegle n ten sam opór R, to całkowity opór R 0 znajduje się według wzoru:

Elektryczne przyrządy pomiarowe

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

Woltomierz przeznaczony do pomiaru różnicy potencjałów zastosowanej do jego zacisków. Jest połączony równolegle z odcinkiem obwodu, na którym mierzona jest różnica potencjałów. Każdy woltomierz ma pewien opór wewnętrzny. R b. Aby woltomierz nie wprowadzał zauważalnej redystrybucji prądów po podłączeniu do mierzonego obwodu, 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 połączony szeregowo z przerwą w obwodzie elektrycznym, dzięki czemu przepływa przez niego cały mierzony prąd. Amperomierz ma również pewien opór wewnętrzny. R A. W przeciwieństwie do woltomierza, rezystancja wewnętrzna amperomierza musi być wystarczająco mała w porównaniu z całkowitą rezystancją całego obwodu.

EMF. Prawo Ohma dla pełnego obwodu

Do istnienia prądu stałego konieczne jest posiadanie urządzenia w elektrycznym obwodzie zamkniętym zdolnym do tworzenia i utrzymywania różnic potencjałów na odcinkach obwodu w wyniku działania sił pochodzenia nieelektrostatycznego. Takie urządzenia nazywają się źródła prądu stałego. Siły pochodzenia nieelektrostatycznego działające na nośniki ładunków swobodnych ze źródeł prądu nazywamy siły zewnętrzne.

Charakter sił zewnętrznych może być inny. W ogniwach galwanicznych lub akumulatorach powstają w wyniku procesów elektrochemicznych, w generatorach prądu stałego siły zewnętrzne powstają podczas poruszania się przewodników w polu magnetycznym. Pod działaniem sił zewnętrznych ładunki elektryczne przemieszczają się wewnątrz źródła prądu wbrew siłom pola elektrostatycznego, dzięki czemu można utrzymać stały prąd elektryczny w obwodzie zamkniętym.

Gdy ładunki elektryczne poruszają się po obwodzie prądu stałego, działają siły zewnętrzne działające wewnątrz źródeł prądu. Wielkość fizyczna równa stosunkowi pracy A st siły zewnętrzne podczas przenoszenia ładunku q od ujemnego bieguna źródła prądu do dodatniego do wartości tego ładunku nazywa się źródło siły elektromotorycznej (EMF):

W ten sposób pole elektromagnetyczne jest określane przez pracę wykonaną przez siły zewnętrzne podczas przesuwania pojedynczego ładunku dodatniego. Siłę elektromotoryczną, podobnie jak różnicę potencjałów, mierzy się w woltach (V).

Prawo Ohma dla pełnego (zamkniętego) obwodu: siła prądu w obwodzie zamkniętym jest równa sile elektromotorycznej źródła podzielonej przez całkowitą (wewnętrzną + zewnętrzną) rezystancję obwodu:

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

Spadek napięcia w obwodzie zewnętrznym podczas gdy równy (jest również nazywany napięcie na zaciskach źródłowych):

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

Jeśli rezystancja obciążenia wynosi zero (źródło samo się zamyka) lub znacznie mniej niż rezystancja źródła, obwód będzie płynął prąd zwarcia:

Prąd zwarciowy - maksymalny prąd, jaki można uzyskać z danego źródła przy sile 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 mieć prąd zwarciowy rzędu kilkuset amperów. Szczególnie niebezpieczne są zwarcia w sieciach oświetleniowych zasilanych z podstacji (tysiące amperów). Aby uniknąć destrukcyjnego działania tak wysokich prądów, w obwodzie znajdują się bezpieczniki lub specjalne wyłączniki.

Wiele źródeł EMF w obwodzie

Jeśli obwód zawiera kilka emfs połączonych szeregowo, następnie:

1. Przy prawidłowym (biegun dodatni jednego źródła jest połączony z ujemnym drugiego) połączenia źródeł, całkowitą siłę pola elektromagnetycznego wszystkich źródeł i ich rezystancję wewnętrzną można znaleźć za pomocą wzorów:

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

2. Jeśli źródła są podłączone nieprawidłowo (źródła są połączone tymi samymi biegunami), ich całkowite pole elektromagnetyczne i rezystancję oblicza się według 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 zostaną rozładowane nawzajem. Tak więc całkowite pole elektromagnetyczne będzie takie samo jak pole elektromagnetyczne każdego źródła, to znaczy przy połączeniu równoległym nie dostaniemy baterii o dużym polu elektromagnetycznym. Zmniejsza to rezystancję wewnętrzną baterii źródeł, co pozwala uzyskać więcej prądu i mocy w obwodzie:

Takie jest znaczenie równoległego połączenia źródeł. W każdym razie, rozwiązując problemy, najpierw musisz znaleźć całkowitą EMF i całkowitą rezystancję wewnętrzną powstałego źródła, a następnie napisać prawo Ohma dla całego obwodu.

Praca i aktualna moc. Prawo Joule'a-Lenza

Praca A prąd elektryczny I przepływający przez stały przewód z oporem R, zamieniony na ciepło Q, który wyróżnia się na przewodniku. Tę pracę można obliczyć za pomocą jednego ze wzorów (biorąc pod uwagę prawo Ohma, wszystkie wynikają od siebie):

Prawo zamiany pracy prądu na ciepło zostało eksperymentalnie ustalone niezależnie przez J. Joule i E. Lenza i nosi nazwę Prawo Joule'a-Lenza. Moc prądu elektrycznego równy stosunkowi pracy prądu A do przedziału czasu Δ t, dla którego ta praca została wykonana, więc można ją obliczyć za pomocą następujących 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 i zewnętrzna jednorodna powierzchnia z oporem R. W tym przypadku moc użyteczna lub moc uwalniana w obwodzie zewnętrznym wynosi:

Maksymalną możliwą moc użyteczną źródła osiąga się, gdy R = r i jest równy:

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

Strata mocy lub moc wewnątrz źródła prądu:

Całkowita moc wytworzona przez obecne źródło:

Sprawność źródła prądu:

Elektroliza

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

Przepływowi prądu elektrycznego przez elektrolit towarzyszy uwolnienie substancji na elektrodach. Zjawisko to zostało nazwane elektroliza.

Prąd elektryczny w elektrolitach to ruch jonów obu znaków w przeciwnych kierunkach. Jony dodatnie poruszają 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 została eksperymentalnie założona przez angielskiego fizyka M. Faradaya w 1833 roku. Prawo Faradaya określa ilość produktów pierwotnych uwalnianych na elektrodach podczas elektrolizy. Więc masa m substancja uwalniana na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ładunku Q przeszedł przez elektrolit:

wartość k nazywa równoważnik elektrochemiczny. Można go obliczyć za pomocą wzoru:

gdzie: n jest wartościowością substancji, N A jest stałą Avogadro, M to masa molowa substancji, mi to ładunek elementarny. Czasami wprowadza się również następującą notację dla stałej Faradaya:

Prąd elektryczny w gazach i próżni

Prąd elektryczny w gazach

W normalnych warunkach gazy nie przewodzą prądu. Wynika to z neutralności elektrycznej cząsteczek gazu, a w konsekwencji z braku nośników ładunku elektrycznego. Aby gaz stał się przewodnikiem, jeden lub więcej elektronów musi zostać usuniętych z cząsteczek. Wtedy pojawią się nośniki wolnych ładunków - elektrony i jony dodatnie. Ten proces nazywa się jonizacja gazu.

Możliwa jest jonizacja cząsteczek gazu przez wpływ zewnętrzny - jonizator. Jonizatorami mogą być: strumień światła, promieni X, strumień elektronów lub α -cząstki. Cząsteczki gazu również jonizują w wysokiej temperaturze. Jonizacja prowadzi do pojawienia się w gazach nośników ładunków swobodnych – elektronów, jonów dodatnich, jonów ujemnych (elektron połączony z cząsteczką obojętną).

Jeśli w przestrzeni zajmowanej przez zjonizowany gaz powstanie pole elektryczne, to nośniki ładunków elektrycznych zaczną się poruszać w sposób uporządkowany - tak w gazach powstaje prąd elektryczny. Jeśli jonizator przestanie działać, gaz ponownie staje się neutralny, ponieważ rekombinacja– tworzenie neutralnych atomów przez jony i elektrony.

Prąd elektryczny w próżni

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

Prąd elektryczny w próżni nazywany jest przewodnością szczeliny międzyelektrodowej w stanie próżni. W tym przypadku cząsteczek gazu jest tak mało, że procesy ich jonizacji nie mogą dostarczyć takiej liczby elektronów i jonów, jaka jest potrzebna do jonizacji. Przewodność szczeliny międzyelektrodowej w próżni można zapewnić tylko za pomocą naładowanych cząstek, które powstały w wyniku zjawiska emisji na elektrodach.

• Z powrotem
• Do przodu

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

Aby pomyślnie przygotować się do CT z fizyki i matematyki, między innymi, muszą zostać spełnione trzy krytyczne warunki:

1. Przestudiuj wszystkie tematy i wypełnij wszystkie testy i zadania podane w materiałach do nauki na tej stronie. Aby to zrobić, nie potrzebujesz w ogóle niczego, a mianowicie: codziennie od trzech do czterech godzin na przygotowanie się do CT z fizyki i matematyki, studiowanie teorii i rozwiązywanie problemów. Faktem jest, że CT to egzamin, na którym nie wystarczy tylko znać fizykę czy matematykę, trzeba też umieć szybko i bezbłędnie rozwiązać dużą liczbę problemów o różnej tematyce io różnym stopniu złożoności. Tej ostatniej można się nauczyć jedynie rozwiązując tysiące problemów.
2. Naucz się wszystkich wzorów i praw fizyki oraz wzorów i metod w matematyce. W rzeczywistości jest to również bardzo proste, w fizyce jest tylko około 200 niezbędnych wzorów, a nawet trochę mniej w matematyce. W każdym z tych przedmiotów istnieje kilkanaście standardowych metod rozwiązywania problemów o podstawowym poziomie złożoności, których również można się nauczyć, a tym samym całkowicie automatycznie i bez trudności rozwiązać większość cyfrowej transformacji we właściwym czasie. Potem będziesz musiał myśleć tylko o najtrudniejszych zadaniach.
3. Weź udział we wszystkich trzech etapach egzaminów próbnych z fizyki i matematyki. Każdy RT można odwiedzić dwukrotnie, aby rozwiązać obie opcje. Ponownie na CT oprócz umiejętności szybkiego i sprawnego rozwiązywania problemów oraz znajomości wzorów i metod niezbędna jest również umiejętność właściwego planowania czasu, rozłożenia sił, a co najważniejsze poprawnego wypełnienia formularza odpowiedzi , nie myląc ani liczby odpowiedzi i zadań, ani własnego nazwiska. Również podczas RT ważne jest, aby przyzwyczaić się do stylu zadawania pytań w zadaniach, co nieprzygotowanej osobie może wydawać się bardzo niezwykłe.

Udane, rzetelne i odpowiedzialne wdrożenie tych trzech punktów pozwoli Ci wykazać się doskonałym wynikiem na CT, maksymalnym, do czego jesteś zdolny.

Znalazłeś błąd?

Jeśli, jak Ci się wydaje, znalazłeś błąd w materiałach szkoleniowych, napisz o tym mailowo. Możesz również napisać o błędzie w sieci społecznościowej (). W liście wskaż przedmiot (fizyka lub matematyka), nazwę lub numer tematu lub testu, numer zadania lub miejsce w tekście (stronie), gdzie Twoim zdaniem wystąpił błąd. Opisz również, na czym polega rzekomy błąd. Twój list nie pozostanie niezauważony, błąd zostanie albo poprawiony, albo zostaniesz wyjaśniony, dlaczego to nie pomyłka.