Podstawowe pojęcia prądu elektrycznego. Definicja prądu elektrycznego

Kiedy dana osoba nauczyła się tworzyć i używać prądu elektrycznego, jakość jego życia dramatycznie wzrosła. Obecnie znaczenie energii elektrycznej z roku na rok rośnie. Aby nauczyć się rozumieć bardziej złożone zagadnienia związane z elektrycznością, należy najpierw zrozumieć, czym jest prąd elektryczny.

Co jest aktualne

Definicja prądu elektrycznego to jego reprezentacja w postaci skierowanego strumienia poruszających się cząstek nośnika, naładowanych dodatnio lub ujemnie. Nośnikami ładunku mogą być:

• ujemnie naładowane elektrony poruszające się w metalach;
• jony w cieczach lub gazach;
• dodatnio naładowane dziury z poruszających się elektronów w półprzewodnikach.

O tym, czym jest prąd, decyduje obecność pola elektrycznego. Bez tego nie powstanie ukierunkowany przepływ naładowanych cząstek.

Pojęcie prądu elektrycznegobyłaby niepełna bez wymienienia jej przejawów:

1. Każdemu prądowi elektrycznemu towarzyszy pole magnetyczne;
2. Przewody nagrzewają się podczas przechodzenia;
3. Elektrolity zmieniają skład chemiczny.

Przewodniki i półprzewodniki

Prąd elektryczny może istnieć tylko w ośrodku przewodzącym, ale natura jego przepływu jest inna:

1. W przewodnikach metalicznych znajdują się wolne elektrony, które zaczynają się poruszać pod wpływem pola elektrycznego. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również opór przewodników, ponieważ ciepło w chaotyczny sposób zwiększa ruch atomów, co zakłóca swobodne elektrony;
2. W ciekłym ośrodku utworzonym przez elektrolity powstające pole elektryczne powoduje proces dysocjacji - tworzenie kationów i anionów, które przemieszczają się w kierunku biegunów dodatnich i ujemnych (elektrod) w zależności od znaku ładunku. Ogrzewanie elektrolitu prowadzi do zmniejszenia rezystancji z powodu bardziej aktywnego rozkładu cząsteczek;

Ważny! Elektrolit może być stały, ale charakter przepływu prądu w nim jest identyczny z płynem.

1. Medium gazowe charakteryzuje się również obecnością jonów, które wchodzą w ruch. Powstaje plazma. Promieniowanie powoduje również, że wolne elektrony uczestniczą w ruchu skierowanym;
2. Podczas wytwarzania prądu elektrycznego w próżni elektrony uwalniane na elektrodzie ujemnej poruszają się w kierunku dodatnim;
3. W półprzewodnikach znajdują się wolne elektrony, które zrywają wiązania pod wpływem ogrzewania. Na ich miejscach znajdują się dziury, które mają ładunek ze znakiem plus. Dziury i elektrony są w stanie wytworzyć ruch skierowany.

Media nieprzewodzące nazywane są dielektrykami.

Ważny! Kierunek prądu odpowiada kierunkowi ruchu cząstek nośników ładunku ze znakiem plus.

Rodzaj prądu

1. Stały. Charakteryzuje się stałą wartością ilościową prądu i kierunku;
2. Zmienny. Z biegiem czasu okresowo zmienia swoje właściwości. Dzieli się na kilka odmian, w zależności od zmienianego parametru. Przeważnie wartość ilościowa prądu i jego kierunek zmieniają się wzdłuż sinusoidy;
3. Prądy wirowe. Występują, gdy zmienia się strumień magnetyczny. Twórz obwody zamknięte bez przemieszczania się między biegunami. Prądy wirowe powodują intensywne wytwarzanie ciepła, w wyniku czego straty rosną. W rdzeniach cewek elektromagnetycznych są one ograniczone przez zastosowanie konstrukcji oddzielnych płyt izolowanych zamiast litej.

Charakterystyka obwodu elektrycznego

1. Obecna siła. Jest to ilościowy pomiar ładunku przechodzącego do jednostki tymczasowej w przekroju poprzecznym przewodników. Ładunki są mierzone w kulombach (C), jednostką czasu jest sekunda. Obecna siła to C / s. Otrzymany stosunek nazwano amperem (A), w którym mierzona jest wartość ilościowa prądu. Miernikiem jest amperomierz włączony szeregowo w obwód połączeń elektrycznych;
2. Moc. Prąd elektryczny w przewodniku musi pokonać opór ośrodka. Praca włożona w pokonanie go w pewnym okresie czasu będzie potęgą. W tym przypadku przetwarzanie energii elektrycznej na inne rodzaje energii - praca jest wykonywana. Moc zależy od siły prądu, napięcia. Ich produkt określi moc czynną. Po przemnożeniu przez inny czas otrzymuje się zużycie energii - co pokazuje licznik. Moc można mierzyć w woltamperach (VA, kVA, mVA) lub w watach (W, kW, mW);
3. Napięcie. Jedna z trzech najważniejszych cech. Aby prąd płynął, konieczne jest wytworzenie różnicy potencjałów między dwoma punktami zamkniętego obwodu połączeń elektrycznych. Napięcie charakteryzuje się pracą wykonaną przez pole elektryczne podczas ruchu pojedynczego nośnika ładunku. Zgodnie ze wzorem jednostką napięcia jest J/C, co odpowiada woltowi (V). Miernikiem jest woltomierz połączony równolegle;
4. Opór. Charakteryzuje zdolność przewodników do przepuszczania prądu elektrycznego. Jest to określone przez materiał przewodnika, długość i powierzchnię jego przekroju. Pomiar jest w omach (Ohm).

Prawa dotyczące prądu elektrycznego

Obwody elektryczne są obliczane przy użyciu trzech głównych praw:

1. Prawo Ohma. Został on zbadany i sformułowany przez niemieckiego fizyka na początku XIX wieku dla prądu stałego, potem został zastosowany również do prądu zmiennego. Ustanawia związek między prądem, napięciem i rezystancją. Na podstawie prawa Ohma obliczany jest prawie każdy obwód elektryczny. Podstawowy wzór: I \u003d U / R, czyli siła prądu jest wprost proporcjonalna do napięcia i odwrotnie do rezystancji;

1. Prawo Faradaya. Odnosi się do indukcji elektromagnetycznej. Pojawienie się prądów indukcyjnych w przewodnikach jest spowodowane wpływem zmieniającego się w czasie strumienia magnetycznego na skutek indukcji pola elektromagnetycznego (siły elektromotorycznej) w obwodzie zamkniętym. Indukowany moduł SEM, mierzony w woltach, jest proporcjonalny do szybkości zmian strumienia magnetycznego. Dzięki prawu indukcji działają generatory wytwarzające energię elektryczną;
2. Prawo Joule'a-Lenza. Jest to ważne przy obliczaniu ogrzewania przewodów, które jest wykorzystywane do projektowania i produkcji ogrzewania, opraw oświetleniowych i innego sprzętu elektrycznego. Prawo pozwala określić ilość ciepła uwalnianego podczas przepływu prądu elektrycznego:

gdzie I to siła płynącego prądu, R to opór, t to czas.

Elektryczność w atmosferze

W atmosferze może istnieć pole elektryczne, zachodzą procesy jonizacji. Chociaż natura ich występowania nie jest do końca jasna, istnieją różne hipotezy wyjaśniające. Najpopularniejszym jest kondensator, jako analog do reprezentowania elektryczności w atmosferze. Jego płyty mogą wyznaczać powierzchnię ziemi i jonosferę, pomiędzy którymi krąży dielektryk - powietrze.

Rodzaje elektryczności atmosferycznej:

1. Burze. Błyskawica z widoczną poświatą i grzmiącymi grzmotami. Napięcie błyskawicy osiąga setki milionów woltów przy natężeniu prądu 500 000 A;

1. Pożary Świętego Elma. Wyładowania koronowe energii elektrycznej wytwarzanej wokół drutów, masztów;
2. Piorun kulisty. Wyładowanie w postaci kuli poruszającej się w powietrzu;
3. Zorze polarne. Wielobarwna poświata ziemskiej jonosfery pod wpływem naładowanych cząstek przenikających z kosmosu.

Człowiek wykorzystuje dobroczynne właściwości prądu elektrycznego we wszystkich dziedzinach życia:

• oświetlenie;
• transmisja sygnału: telefon, radio, telewizja, telegraf;
• transport elektryczny: pociągi, samochody elektryczne, tramwaje, trolejbusy;
• stworzenie komfortowego mikroklimatu: ogrzewanie i klimatyzacja;
• Wyposażenie medyczne;
• do użytku domowego: urządzenia elektryczne;
• komputery i urządzenia mobilne;
• przemysł: obrabiarki i urządzenia;
• elektroliza: otrzymywanie aluminium, cynku, magnezu i innych substancji.

Zagrożenie porażeniem elektrycznym

Bezpośredni kontakt z prądem elektrycznym bez wyposażenia ochronnego jest śmiertelny dla człowieka. Możliwych jest kilka rodzajów wpływów:

• oparzenie termiczne;
• elektrolityczne rozszczepianie krwi i limfy ze zmianą jej składu;
• konwulsyjne skurcze mięśni mogą wywołać migotanie serca aż do jego całkowitego ustania, zakłócić funkcjonowanie układu oddechowego.

Ważny! Prąd odczuwany przez człowieka zaczyna się od wartości 1 mA, jeśli wartość prądu wynosi 25 mA, możliwe są poważne negatywne zmiany w organizmie.

Najważniejszą cechą prądu elektrycznego jest to, że może wykonać pożyteczną pracę dla człowieka: oświetlić dom, wyprać i wysuszyć ubrania, ugotować obiad, ogrzać dom. Teraz znaczące miejsce zajmuje jego wykorzystanie w przekazywaniu informacji, chociaż nie wymaga to dużego zużycia energii elektrycznej.

Wideo

Prąd elektryczny jest teraz używany w każdym budynku, wiedząc aktualna charakterystyka w sieci elektrycznej w domu, należy zawsze pamiętać, że zagraża to życiu.

Prąd elektryczny jest efektem ukierunkowanego ruchu ładunków elektrycznych (w gazach – jonów i elektronów, w metalach – elektronów), pod wpływem pola elektrycznego.

Ruch ładunków dodatnich wzdłuż pola jest równoważny ruchowi ładunków ujemnych względem pola.

Zwykle kierunek ładunku elektrycznego jest traktowany jako kierunek ładunku dodatniego.

• aktualna moc;
• Napięcie;
• obecna siła;
• aktualny opór.

Bieżąca moc.

Moc prądu elektrycznego jest stosunkiem pracy wykonanej przez prąd do czasu, w którym ta praca została wykonana.

Moc wytwarzana przez prąd elektryczny w części obwodu jest wprost proporcjonalna do wielkości prądu i napięcia w tej sekcji. Moc (electric-three-che-sky i me-ha-no-che-sky) from-me-rya-et-xia w watach (W).

Bieżąca moc nie zależy od czasu pro-the-ka-niya prądu elektrycznego-tri-che-th w obwodzie, ale zdefiniuj-de-la-is-sya jako pro-of-ve-de -ne napięcie do natężenia prądu.

Napięcie.

Napięcie elektryczne to wartość, która pokazuje, jaką pracę wykonało pole elektryczne podczas przenoszenia ładunku z jednego punktu do drugiego. W takim przypadku napięcie w różnych częściach obwodu będzie różne.

Na przykład: napięcie na odcinku pustego drutu będzie bardzo małe, a napięcie na odcinku z dowolnym obciążeniem będzie znacznie większe, a wielkość napięcia będzie zależała od ilości pracy wykonanej przez prąd. Zmierz napięcie w woltach (1 V). Aby określić napięcie, istnieje wzór: U \u003d A / q, gdzie

• U - napięcie,
• A to praca wykonana przez prąd, aby przenieść ładunek q do określonej części obwodu.

Obecna siła.

obecna siła nazywana liczbą naładowanych cząstek, które przepływają przez przekrój poprzeczny przewodnika.

Zgodnie z definicją obecna siła wprost proporcjonalna do napięcia i odwrotnie proporcjonalna do rezystancji.

Siła prądu elektrycznego mierzony przyrządem zwanym amperomierzem. Ilość prądu elektrycznego (ilość przenoszonego ładunku) jest mierzona w amperach. Aby zwiększyć zakres oznaczeń jednostki zmiany, istnieją przedrostki krotności, takie jak mikro-mikroamper (μA), mile - miliamper (mA). Inne przedrostki nie są używane w życiu codziennym. Na przykład: mówią i piszą „dziesięć tysięcy amperów”, ale nigdy nie mówią ani nie piszą 10 kiloamperów. Takie wartości nie są używane w życiu codziennym. To samo można powiedzieć o nanoamperach. Zwykle mówią i piszą 1 × 10-9 amperów.

aktualny opór.

opór elektryczny nazywana wielkością fizyczną, która charakteryzuje właściwości przewodnika uniemożliwiające przepływ prądu elektrycznego i jest równa stosunkowi napięcia na końcach przewodnika do natężenia przepływającego przez niego prądu.

Rezystancja dla obwodów prądu przemiennego i zmiennych pól elektromagnetycznych jest opisana w kategoriach impedancji i rezystancji falowej. aktualny opór(często oznaczany literą R lub r) jest uważany za rezystancję prądu, w pewnych granicach, stałą wartość dla danego przewodnika. Pod opór elektryczny zrozumieć stosunek napięcia na końcach przewodnika do natężenia prądu płynącego przez przewodnik.

Warunki występowania prądu elektrycznego w ośrodku przewodzącym:

1) obecność swobodnie naładowanych cząstek;

2) jeśli istnieje pole elektryczne (istnieje różnica potencjałów między dwoma punktami przewodnika).

Rodzaje oddziaływania prądu elektrycznego na materiał przewodzący.

1) chemiczny – zmiana składu chemicznego przewodników (występuje głównie w elektrolitach);

2) termiczny - nagrzewa się materiał, przez który przepływa prąd (ten efekt nie występuje w nadprzewodnikach);

3) magnetyczny - pojawienie się pola magnetycznego (występuje we wszystkich przewodnikach).

Główne cechy prądu.

1. Siła prądu jest oznaczona literą I - jest równa ilości energii elektrycznej Q przechodzącej przez przewodnik w czasie t.

I=Q/t

Siłę prądu określa się za pomocą amperomierza.

Napięcie jest określane za pomocą woltomierza.

3. Rezystancja R materiału przewodzącego.

Odporność zależy od:

a) na przekroju przewodu S, na jego długości l i materiale (oznaczonym przez opór właściwy przewodu ρ);

R=pl/S

b) od temperatury t°С (lub Т): R = R0 (1 + αt),

• gdzie R0 jest rezystancją przewodnika w temperaturze 0°С,
• α - temperaturowy współczynnik rezystancji;

c) aby uzyskać różne efekty, przewody można łączyć zarówno równolegle, jak i szeregowo.

Tabela aktualnych charakterystyk.

Mieszanina	Sekwencyjny	Równoległy
Zachowana wartość	ja 1 \u003d ja 2 \u003d ... \u003d ja n ja \u003d const	U 1 \u003d U 2 \u003d ... U n U \u003d stała
Łączna wartość	Napięcie e=Ast/q Wartość równa pracy wykonanej przez siły zewnętrzne, aby przesunąć ładunek dodatni wzdłuż całego obwodu, w tym źródła prądu, do ładunku, nazywa się siłą elektromotoryczną źródła prądu (EMF): e=Ast/q Podczas naprawy sprzętu elektrycznego należy znać aktualną charakterystykę.

Przede wszystkim warto dowiedzieć się, czym jest prąd elektryczny. Prąd elektryczny to uporządkowany ruch naładowanych cząstek w przewodniku. Aby mogła powstać, musi najpierw powstać pole elektryczne, pod wpływem którego wspomniane wyżej naładowane cząstki zaczną się poruszać.

Pierwsze informacje o elektryczności, które pojawiły się wiele wieków temu, dotyczyły elektrycznych „ładunków” uzyskiwanych przez tarcie. Już w czasach starożytnych ludzie wiedzieli, że bursztyn noszony na wełnie nabiera zdolności przyciągania lekkich przedmiotów. Ale dopiero pod koniec XVI wieku angielski lekarz Gilbert szczegółowo zbadał to zjawisko i odkrył, że wiele innych substancji ma dokładnie takie same właściwości. Ciała zdolne, jak bursztyn, po potarciu do przyciągania lekkich przedmiotów, nazwał naelektryzowanymi. Słowo to pochodzi od greckiego elektronu – „bursztyn”. Obecnie mówimy, że na ciałach w tym stanie znajdują się ładunki elektryczne, a same ciała nazywamy „naładowanymi”.

Ładunki elektryczne zawsze powstają, gdy różne substancje są w bliskim kontakcie. Jeśli ciała są stałe, to ich bliskiemu kontaktowi zapobiegają mikroskopijne wypukłości i nierówności występujące na ich powierzchni. Ściskając takie ciała i pocierając je o siebie, zbliżamy do siebie ich powierzchnie, które bez nacisku stykałyby się tylko w kilku punktach. W niektórych ciałach ładunki elektryczne mogą swobodnie przemieszczać się między różnymi częściami, podczas gdy w innych nie jest to możliwe. W pierwszym przypadku ciała nazywane są „przewodnikami”, aw drugim „dielektrykami lub izolatorami”. Przewodnikami są wszystkie metale, wodne roztwory soli i kwasów itp. Przykładami izolatorów są bursztyn, kwarc, ebonit i wszystkie gazy znajdujące się w normalnych warunkach.

Niemniej jednak należy zauważyć, że podział ciał na przewodniki i dielektryki jest bardzo arbitralny. Wszystkie substancje przewodzą prąd elektryczny w mniejszym lub większym stopniu. Ładunki elektryczne są dodatnie lub ujemne. Taki prąd nie będzie trwał długo, bo naelektryzowane ciało się rozładuje. Dla ciągłego istnienia prądu elektrycznego w przewodniku konieczne jest utrzymanie pola elektrycznego. Do tych celów wykorzystywane są źródła prądu elektrycznego. Najprostszym przypadkiem wystąpienia prądu elektrycznego jest podłączenie jednego końca przewodu do naelektryzowanego ciała, a drugiego do ziemi.

Obwody elektryczne zasilające żarówki oświetleniowe i silniki elektryczne pojawiły się dopiero po wynalezieniu baterii, które datuje się na około 1800 rok. Później rozwój doktryny elektryczności postępował tak szybko, że w ciągu niecałego stulecia stała się ona nie tylko częścią fizyki, ale stała się podstawą nowej cywilizacji elektrycznej.

Główne wielkości prądu elektrycznego

Ilość energii elektrycznej i siła prądu. Wpływ prądu elektrycznego może być silny lub słaby. Siła prądu elektrycznego zależy od ilości ładunku, który przepływa przez obwód w określonej jednostce czasu. Im więcej elektronów przemieściło się z jednego bieguna źródła na drugi, tym większy jest całkowity ładunek przenoszony przez elektrony. Ten całkowity ładunek nazywany jest ilością energii elektrycznej przechodzącej przez przewodnik.

W szczególności efekt chemiczny prądu elektrycznego zależy od ilości elektryczności, tj. im więcej ładunku przechodzi przez roztwór elektrolitu, tym więcej substancji osadzi się na katodzie i anodzie. W związku z tym ilość energii elektrycznej można obliczyć, ważąc masę substancji osadzonej na elektrodzie i znając masę i ładunek jednego jonu tej substancji.

Natężenie prądu to wielkość równa stosunkowi ładunku elektrycznego, który przeszedł przez przekrój przewodnika, do czasu jego przepływu. Jednostką ładunku jest kulomb (C), czas mierzony jest w sekundach (s). W tym przypadku jednostką natężenia prądu jest C/s. Ta jednostka nazywa się amperem (A). Aby zmierzyć natężenie prądu w obwodzie, stosuje się elektryczne urządzenie pomiarowe zwane amperomierzem. W celu włączenia do obwodu amperomierz jest wyposażony w dwa zaciski. Jest włączony w obwód szeregowo.

napięcie elektryczne. Wiemy już, że prąd elektryczny to uporządkowany ruch naładowanych cząstek - elektronów. Ruch ten jest tworzony za pomocą pola elektrycznego, które wykonuje pewną ilość pracy. Zjawisko to nazywane jest pracą prądu elektrycznego. Aby przesunąć więcej ładunku przez obwód elektryczny w ciągu 1 sekundy, pole elektryczne musi wykonać większą pracę. Na tej podstawie okazuje się, że praca prądu elektrycznego powinna zależeć od siły prądu. Ale jest jeszcze jedna wartość, od której zależy praca prądu. Ta wartość nazywana jest napięciem.

Napięcie to stosunek pracy prądu w pewnym odcinku obwodu elektrycznego do ładunku przepływającego przez ten sam odcinek obwodu. Bieżąca praca jest mierzona w dżulach (J), ładunek jest mierzony w wisiorkach (C). W związku z tym jednostką pomiaru napięcia będzie 1 J/C. Ta jednostka nazywa się woltem (V).

Aby w obwodzie elektrycznym pojawiło się napięcie, potrzebne jest źródło prądu. W obwodzie otwartym napięcie występuje tylko na zaciskach źródła prądu. Jeśli to źródło prądu jest zawarte w obwodzie, napięcie pojawi się również w niektórych sekcjach obwodu. W związku z tym w obwodzie będzie również prąd. Oznacza to, że w skrócie możemy powiedzieć, co następuje: jeśli w obwodzie nie ma napięcia, nie ma prądu. Do pomiaru napięcia służy elektryczne urządzenie pomiarowe zwane woltomierzem. Z wyglądu przypomina wspomniany wcześniej amperomierz, z tą różnicą, że na podziałce woltomierza jest litera V (zamiast A na amperomierzu). Woltomierz ma dwa zaciski, za pomocą których jest podłączony równolegle do obwodu elektrycznego.

Opór elektryczny. Po podłączeniu wszelkiego rodzaju przewodów i amperomierza do obwodu elektrycznego można zauważyć, że przy użyciu różnych przewodów amperomierz daje różne odczyty, czyli w tym przypadku inna jest siła prądu dostępnego w obwodzie elektrycznym. Zjawisko to można wytłumaczyć faktem, że różne przewodniki mają różną rezystancję elektryczną, która jest wielkością fizyczną. Na cześć niemieckiego fizyka nazwano ją Ohm. Z reguły w fizyce stosuje się większe jednostki: kiloom, megaom itp. Rezystancję przewodnika zwykle oznacza się literą R, długość przewodu to L, pole przekroju poprzecznego to S. W tym przypadku rezystancję można zapisane w postaci formuły:

R = R * L/S

gdzie współczynnik p nazywa się rezystywnością. Współczynnik ten wyraża opór przewodu o długości 1 m i polu przekroju równym 1 m2. Rezystywność wyraża się w omach x m. Ponieważ druty z reguły mają raczej mały przekrój, ich obszary są zwykle wyrażane w milimetrach kwadratowych. W tym przypadku jednostką rezystywności będzie Ohm x mm2/m. W tabeli poniżej. 1 pokazuje rezystywność niektórych materiałów.

Tabela 1. Oporność elektryczna niektórych materiałów
Materiał	p, Ohm x m2/m	Materiał	p, Ohm x m2/m
Miedź	0,017	Stop platynowo-irydowy	0,25
Złoto	0,024	Grafit	13
Mosiądz	0,071	Węgiel	40
Cyna	0,12	Porcelana	1019
Prowadzić	0,21	Ebonit	1020
Metal lub stop
Srebro	0,016	Manganina (stop)	0,43
Aluminium	0,028	Constantan (stop)	0,50
Wolfram	0,055	Rtęć	0,96
Żelazo	0,1	Nichrom (stop)	1,1
nikiel (stop)	0,40	Fechral (stop)	1,3
		Chromel (stop)	1,5

Według tabeli. 1 staje się jasne, że miedź ma najmniejszy opór elektryczny, a stop metali ma największy. Ponadto dielektryki (izolatory) mają wysoką rezystywność.

Pojemność elektryczna. Wiemy już, że dwa odizolowane od siebie przewodniki mogą gromadzić ładunki elektryczne. Zjawisko to charakteryzuje się wielkością fizyczną, którą nazywamy pojemnością elektryczną. Pojemność elektryczna dwóch przewodników to nic innego jak stosunek ładunku jednego z nich do różnicy potencjałów między tym przewodnikiem a sąsiednim. Im niższe napięcie, gdy przewodniki otrzymują ładunek, tym większa jest ich pojemność. Farad (F) jest traktowany jako jednostka pojemności elektrycznej. W praktyce stosuje się ułamki tej jednostki: mikrofarad (µF) i pikofarad (pF).

Jeśli weźmiesz dwa odizolowane od siebie przewodniki, umieścisz je w niewielkiej odległości od siebie, otrzymasz kondensator. Pojemność kondensatora zależy od grubości jego okładek oraz grubości dielektryka i jego przepuszczalności. Zmniejszając grubość dielektryka między płytkami kondensatora, możliwe jest znaczne zwiększenie pojemności tego ostatniego. Na wszystkich kondensatorach, oprócz ich pojemności, należy podać napięcie, dla którego te urządzenia są zaprojektowane.

Praca i moc prądu elektrycznego. Z powyższego wynika, że ​​prąd elektryczny wykonuje pewną ilość pracy. Po podłączeniu silników elektrycznych prąd elektryczny uruchamia wszelkiego rodzaju urządzenia, porusza pociągi po szynach, oświetla ulice, ogrzewa dom, a także wywołuje efekt chemiczny, czyli umożliwia elektrolizę itp. Można powiedzieć, że praca prądu w pewnym odcinku obwodu jest równa iloczynowi prądu, napięcia i czasu, w którym praca została wykonana. Praca jest mierzona w dżulach, napięcie w woltach, prąd w amperach, a czas w sekundach. W związku z tym 1 J = 1 V x 1 A x 1 s. Z tego wynika, że ​​aby zmierzyć pracę prądu elektrycznego, należy jednocześnie użyć trzech urządzeń: amperomierza, woltomierza i zegara. Ale to jest uciążliwe i nieefektywne. Dlatego zwykle praca prądu elektrycznego jest mierzona za pomocą liczników elektrycznych. Urządzenie tego urządzenia zawiera wszystkie powyższe urządzenia.

Moc prądu elektrycznego jest równa stosunkowi pracy prądu do czasu, w którym została ona wykonana. Moc jest oznaczona literą „P” i jest wyrażana w watach (W). W praktyce stosuje się kilowaty, megawaty, hektowaty itp. Aby zmierzyć moc obwodu, należy wziąć watomierz. Praca elektryczna jest wyrażana w kilowatogodzinach (kWh).

Podstawowe prawa prądu elektrycznego

Prawo Ohma. Napięcie i prąd są uważane za najwygodniejsze charakterystyki obwodów elektrycznych. Jedną z głównych cech wykorzystania energii elektrycznej jest szybki transport energii z jednego miejsca do drugiego i przekazanie jej konsumentowi w pożądanej formie. Iloczyn różnicy potencjałów i natężenia prądu daje moc, czyli ilość energii wydzielanej w obwodzie w jednostce czasu. Jak wspomniano powyżej, aby zmierzyć moc w obwodzie elektrycznym, potrzebne byłyby 3 urządzenia. Czy można zrobić z jednym i obliczyć moc na podstawie jego odczytów i niektórych cech obwodu, takich jak jego rezystancja? Wielu osobom ten pomysł się spodobał, uznali go za owocny.

Jaki jest więc opór drutu lub obwodu jako całości? Czy drut, podobnie jak rury wodociągowe lub rury w systemie próżniowym, ma stałą właściwość, którą można nazwać oporem? Na przykład w rurach stosunek różnicy ciśnień tworzących przepływ do natężenia przepływu jest zwykle stałą cechą rury. W ten sam sposób przepływ ciepła w drucie podlega prostej zależności, która obejmuje różnicę temperatur, pole przekroju poprzecznego drutu i jego długość. Odkrycie takiej zależności dla obwodów elektrycznych było wynikiem udanych poszukiwań.

W latach dwudziestych XIX wieku niemiecki nauczyciel Georg Ohm jako pierwszy zaczął szukać powyższego stosunku. Przede wszystkim dążył do sławy i sławy, która pozwoliłaby mu uczyć na uniwersytecie. To był jedyny powód, dla którego wybrał kierunek studiów, który oferował szczególne korzyści.

Om był synem ślusarza, więc wiedział, jak narysować drut metalowy o różnej grubości, którego potrzebował do eksperymentów. Ponieważ w tamtych czasach nie można było kupić odpowiedniego drutu, Om zrobił to własnymi rękami. Podczas eksperymentów wypróbował różne długości, różne grubości, różne metale, a nawet różne temperatury. Wszystkie te czynniki zmieniał po kolei. W czasach Ohma baterie były jeszcze słabe i dawały prąd o zmiennej wartości. W związku z tym badacz wykorzystał termoparę jako generator, którego gorące złącze zostało umieszczone w płomieniu. Ponadto użył prymitywnego amperomierza magnetycznego i zmierzył różnice potencjałów (Ohm nazywał je „napięciami”), zmieniając temperaturę lub liczbę złączy termicznych.

Doktryna obwodów elektrycznych właśnie otrzymała swój rozwój. Po wynalezieniu baterii około 1800 roku zaczął się rozwijać znacznie szybciej. Projektowano i wytwarzano różne urządzenia (często ręcznie), odkrywano nowe prawa, pojawiały się koncepcje i terminy itp. Wszystko to prowadziło do głębszego zrozumienia zjawisk i czynników elektrycznych.

Aktualizowanie wiedzy o elektryczności z jednej strony spowodowało powstanie nowej dziedziny fizyki, z drugiej strony było podstawą szybkiego rozwoju elektrotechniki tj. baterii, generatorów, układów zasilania oświetlenia i napędu elektrycznego , wynaleziono piece elektryczne, silniki elektryczne itp., inne.

Odkrycia Ohma miały ogromne znaczenie zarówno dla rozwoju teorii elektryczności, jak i dla rozwoju elektrotechniki stosowanej. Ułatwiły przewidywanie właściwości obwodów elektrycznych dla prądu stałego, a później dla prądu przemiennego. W 1826 roku Ohm opublikował książkę, w której przedstawił wnioski teoretyczne i wyniki eksperymentów. Ale jego nadzieje nie były uzasadnione, książka spotkała się z kpiną. Stało się tak, ponieważ metoda surowych eksperymentów wydawała się mało atrakcyjna w epoce, kiedy wielu ludzi interesowało się filozofią.

Omu nie miał innego wyjścia, jak tylko zrezygnować ze stanowiska nauczyciela. Z tego samego powodu nie dostał się na uczelnię. Przez 6 lat naukowiec żył w biedzie, bez wiary w przyszłość, doświadczając uczucia gorzkiego rozczarowania.

Ale stopniowo jego twórczość zyskała sławę najpierw poza granicami Niemiec. Om był szanowany za granicą, wykorzystywano jego badania. W związku z tym rodacy zostali zmuszeni do uznania go w swojej ojczyźnie. W 1849 otrzymał profesurę na uniwersytecie w Monachium.

Ohm odkrył proste prawo, które określa zależność między prądem a napięciem dla kawałka drutu (dla części obwodu, dla całego obwodu). Ponadto stworzył zasady, które pozwalają określić, co się zmieni, jeśli weźmiesz drut o innym rozmiarze. Prawo Ohma jest sformułowane w następujący sposób: natężenie prądu w odcinku obwodu jest wprost proporcjonalne do napięcia w tym odcinku i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji tego odcinka.

Prawo Joule'a-Lenza. Prąd elektryczny w dowolnej części obwodu wykonuje określoną pracę. Weźmy na przykład fragment obwodu, między końcami którego znajduje się napięcie (U). Zgodnie z definicją napięcia elektrycznego praca wykonana podczas przemieszczania jednostki ładunku między dwoma punktami jest równa U. Jeśli natężenie prądu w danym odcinku obwodu wynosi i, to ładunek przepłynie w czasie t, a zatem praca prądu elektrycznego w tej sekcji będzie wynosić:

A = Uit

To wyrażenie jest ważne dla prądu stałego w każdym przypadku, dla dowolnego odcinka obwodu, który może zawierać przewodniki, silniki elektryczne itp. Bieżąca moc, tj. praca na jednostkę czasu jest równa:

P \u003d A / t \u003d Ui

Ten wzór jest używany w układzie SI do określania jednostki napięcia.

Załóżmy, że odcinkiem obwodu jest stały przewodnik. W takim przypadku cała praca zamieni się w ciepło, które zostanie uwolnione w tym przewodniku. Jeśli przewodnik jest jednorodny i przestrzega prawa Ohma (dotyczy to wszystkich metali i elektrolitów), to:

U=ir

gdzie r jest rezystancją przewodnika. W tym przypadku:

A = rt2i

Prawo to zostało po raz pierwszy wyprowadzone empirycznie przez E. Lenza i niezależnie od niego przez Joule'a.

Należy zauważyć, że nagrzewanie przewodów znajduje liczne zastosowania w inżynierii. Najpopularniejszymi i najważniejszymi z nich są żarówki oświetleniowe.

Prawo indukcji elektromagnetycznej. W pierwszej połowie XIX wieku angielski fizyk M. Faraday odkrył zjawisko indukcji magnetycznej. Fakt ten, który stał się własnością wielu badaczy, dał potężny impuls do rozwoju elektrotechniki i radiotechniki.

W trakcie eksperymentów Faraday odkrył, że gdy zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej przechodzących przez powierzchnię ograniczoną zamkniętą pętlą, powstaje w niej prąd elektryczny. Na tym opiera się być może najważniejsze prawo fizyki - prawo indukcji elektromagnetycznej. Prąd występujący w obwodzie nazywany jest indukcyjnym. Ponieważ prąd elektryczny występuje w obwodzie tylko w przypadku działania sił zewnętrznych na ładunki swobodne, to przy zmiennym strumieniu magnetycznym przechodzącym nad powierzchnią obwodu zamkniętego, te same siły zewnętrzne występują w nim. Działanie sił zewnętrznych w fizyce nazywane jest siłą elektromotoryczną lub indukcją EMF.

Indukcja elektromagnetyczna pojawia się również w otwartych przewodnikach. W przypadku, gdy przewodnik przecina linie pola magnetycznego, na jego końcach pojawia się napięcie. Przyczyną pojawienia się takiego napięcia jest indukcja pola elektromagnetycznego. Jeśli strumień magnetyczny przechodzący przez obwód zamknięty nie zmienia się, prąd indukcyjny nie pojawia się.

Używając pojęcia „SEM indukcji”, można mówić o prawie indukcji elektromagnetycznej, tj. SEM indukcji w pętli zamkniętej jest równe wartości bezwzględnej szybkości zmiany strumienia magnetycznego przez powierzchnię ograniczoną przez pętla.

Reguła Lenza. Jak już wiemy, w przewodniku występuje prąd indukcyjny. W zależności od warunków jego pojawienia się ma inny kierunek. Z tej okazji rosyjski fizyk Lenz sformułował następującą zasadę: prąd indukcyjny występujący w obwodzie zamkniętym ma zawsze taki kierunek, że wytwarzane przez niego pole magnetyczne nie pozwala na zmianę strumienia magnetycznego. Wszystko to powoduje pojawienie się prądu indukcyjnego.

Prąd indukcyjny, jak każdy inny, ma energię. Oznacza to, że w przypadku prądu indukcyjnego pojawia się energia elektryczna. Zgodnie z prawem zachowania i przemiany energii, wspomniana powyżej energia może powstać tylko dzięki ilości energii innego rodzaju energii. Zatem reguła Lenza w pełni odpowiada prawu zachowania i transformacji energii.

Oprócz indukcji w cewce może pojawić się tak zwana samoindukcja. Jego istota jest następująca. Jeśli w cewce pojawi się prąd lub zmieni się jego siła, pojawi się zmieniające się pole magnetyczne. A jeśli zmienia się strumień magnetyczny przechodzący przez cewkę, powstaje w niej siła elektromotoryczna, która nazywa się polem elektromagnetycznym samoindukcji.

Zgodnie z regułą Lenza, EMF samoindukcji, gdy obwód jest zamknięty, zakłóca siłę prądu i nie pozwala na jego wzrost. Kiedy obwód EMF jest wyłączony, samoindukcja zmniejsza siłę prądu. W przypadku, gdy natężenie prądu w cewce osiągnie określoną wartość, pole magnetyczne przestaje się zmieniać, a samoindukcja SEM staje się zerowa.

Pierwsze odkrycia związane z działaniem elektryczności rozpoczęły się w VII wieku pne. Starożytny grecki filozof Tales z Miletu ujawnił, że bursztyn pocierany o wełnę jest w stanie przyciągnąć lekkie przedmioty. Z greckiego „elektryczność” tłumaczy się jako „bursztyn”. W 1820 roku André-Marie Ampère ustanowił prawo prądu stałego. W przyszłości wielkość prądu lub to, w czym mierzony jest prąd elektryczny, zaczęto oznaczać w amperach.

Znaczenie terminu

Pojęcie prądu elektrycznego można znaleźć w każdym podręczniku do fizyki. prąd elektryczny- jest to uporządkowany ruch cząstek naładowanych elektrycznie w określonym kierunku. Aby zrozumieć prostemu laikowi, czym jest prąd elektryczny, należy skorzystać ze słownika elektryka. W nim termin ten oznacza ruch elektronów przez przewodnik lub jonów przez elektrolit.

W zależności od ruchu elektronów lub jonów wewnątrz przewodnika wyróżnia się: rodzaje prądów:

• stały;
• zmienny;
• przerywany lub pulsujący.

Podstawowe pomiary

Siła prądu elektrycznego- główny wskaźnik używany przez elektryków w ich pracy. Natężenie prądu elektrycznego zależy od wielkości ładunku, który przepływa przez obwód elektryczny przez określony czas. Im więcej elektronów przepłynie od jednego początku źródła do końca, tym większy będzie ładunek przenoszony przez elektrony.

Wielkość mierzona jako stosunek ładunku elektrycznego przepływającego przez przekrój poprzeczny cząstek w przewodniku do czasu, w którym upłynął. Ładunek jest mierzony w kulombach, czas jest mierzony w sekundach, a jedna jednostka natężenia prądu elektrycznego jest określana przez stosunek ładunku do czasu (kulomb do sekundy) lub w amperach. Określenie prądu elektrycznego (jego siły) następuje poprzez połączenie dwóch zacisków szeregowo z obwodem elektrycznym.

Kiedy działa prąd elektryczny, ruch naładowanych cząstek odbywa się za pomocą pola elektrycznego i zależy od siły ruchu elektronów. Wartość, od której zależy praca prądu elektrycznego, nazywana jest napięciem i jest określona stosunkiem pracy prądu w określonej części obwodu do ładunku przechodzącego przez tę część. Jednostkę wolta mierzy się woltomierzem, gdy dwa zaciski przyrządu są połączone równolegle do obwodu.

Wartość rezystancji elektrycznej zależy bezpośrednio od rodzaju użytego przewodu, jego długości i przekroju. Jest mierzony w omach.

Moc jest określana przez stosunek pracy ruchu prądów do czasu, w którym ta praca wystąpiła. Zmierz moc w watach.

Taka wielkość fizyczna, jak pojemność, jest określona przez stosunek ładunku jednego przewodnika do różnicy potencjałów między tym samym przewodnikiem a sąsiednim. Im niższe napięcie, gdy przewodniki otrzymują ładunek elektryczny, tym większa jest ich pojemność. Mierzy się go w faradach.

Wartość pracy elektrycznej w określonym przedziale łańcucha znajduje się za pomocą iloczynu natężenia prądu, napięcia i okresu czasu, w którym wykonywano pracę. Ta ostatnia jest mierzona w dżulach. Określenie pracy prądu elektrycznego odbywa się za pomocą miernika, który łączy odczyty wszystkich wielkości, a mianowicie napięcia, siły i czasu.

Inżynieria bezpieczeństwa elektrycznego

Znajomość zasad bezpieczeństwa elektrycznego pomoże zapobiec awariom oraz ochroni zdrowie i życie człowieka. Ponieważ elektryczność ma tendencję do nagrzewania przewodnika, zawsze istnieje możliwość wystąpienia sytuacji niebezpiecznej dla zdrowia i życia. Dla bezpieczeństwa w domu musi się trzymać następujące proste, ale ważne zasady:

1. Izolacja sieci musi być zawsze w dobrym stanie, aby uniknąć przeciążeń lub możliwości wystąpienia zwarć.
2. Wilgoć nie powinna dostawać się na urządzenia elektryczne, przewody, ekrany itp. Ponadto wilgotne środowisko powoduje zwarcia.
3. Pamiętaj o uziemieniu wszystkich urządzeń elektrycznych.
4. Należy unikać przeciążania instalacji elektrycznej, ponieważ istnieje ryzyko zapalenia się przewodów.

Środki ostrożności podczas pracy z elektrycznością obejmują stosowanie gumowych rękawiczek, mitenek, dywaników, urządzeń wyładowczych, urządzeń uziemiających miejsca pracy, wyłączników automatycznych lub bezpieczników z zabezpieczeniem termicznym i prądowym.

Doświadczeni elektrycy, gdy istnieje możliwość porażenia prądem, pracują jedną ręką, a drugą trzymają w kieszeni. W ten sposób obwód ręka-ręka zostaje przerwany w przypadku mimowolnego kontaktu z ekranem lub innym uziemionym sprzętem. W przypadku zapalenia się urządzeń podłączonych do sieci gasić pożar wyłącznie gaśnicami proszkowymi lub dwutlenkiem węgla.

Zastosowanie prądu elektrycznego

Prąd elektryczny ma wiele właściwości, które pozwalają na wykorzystanie go w niemal wszystkich sferach działalności człowieka. Sposoby wykorzystania prądu elektrycznego:

Energia elektryczna jest obecnie najbardziej przyjazną dla środowiska formą energii. W warunkach współczesnej gospodarki rozwój elektroenergetyki ma znaczenie planetarne. W przyszłości, jeśli zabraknie surowców, wiodącą pozycję zajmie energia elektryczna jako niewyczerpalne źródło energii.

Dziś trudno sobie wyobrazić życie bez takiego zjawiska jak elektryczność, a przecież ludzkość nie tak dawno nauczyła się wykorzystywać ją do własnych celów. Badanie istoty i właściwości tego szczególnego rodzaju materii zajęło kilka stuleci, ale nawet teraz nie można z całą pewnością stwierdzić, że wiemy o nim absolutnie wszystko.

Pojęcie i istota prądu elektrycznego

Prąd elektryczny, jak wiadomo ze szkolnego kursu fizyki, to nic innego jak uporządkowany ruch dowolnych naładowanych cząstek. Zarówno ujemnie naładowane elektrony, jak i jony mogą działać jako te drugie. Uważa się, że tego typu materia może powstać tylko w tzw. przewodnikach, ale jest to dalekie od prawdy. Chodzi o to, że kiedy jakiekolwiek ciała stykają się, zawsze powstaje pewna liczba przeciwnie naładowanych cząstek, które mogą zacząć się poruszać. W dielektrykach swobodny ruch tych samych elektronów jest bardzo trudny i wymaga ogromnych wysiłków zewnętrznych, dlatego mówią, że nie przewodzą prądu elektrycznego.

Warunki istnienia prądu w obwodzie

Naukowcy od dawna zauważyli, że to zjawisko fizyczne nie może samoistnie powstać i utrzymywać się przez długi czas. Warunki istnienia prądu elektrycznego obejmują kilka ważnych przepisów. Po pierwsze, zjawisko to jest niemożliwe bez obecności swobodnych elektronów i jonów, które pełnią rolę przekaźników ładunku. Po drugie, aby owe cząstki elementarne zaczęły się poruszać w sposób uporządkowany, konieczne jest wytworzenie pola, którego główną cechą jest różnica potencjałów pomiędzy dowolnymi punktami elektryka. Wreszcie po trzecie, prąd elektryczny nie może istnieć przez długi czas tylko pod wpływem sił Coulomba, ponieważ potencjały będą się stopniowo wyrównywać. Dlatego potrzebne są pewne komponenty, które są przetwornikami różnego rodzaju energii mechanicznej i cieplnej. Nazywa się je źródłami energii.

Pytanie o aktualne źródła

Źródła prądu elektrycznego to specjalne urządzenia, które wytwarzają pole elektryczne. Do najważniejszych z nich należą ogniwa galwaniczne, panele słoneczne, generatory, akumulatory. charakteryzują się mocą, wydajnością i czasem pracy.

Prąd, napięcie, rezystancja

Jak każde inne zjawisko fizyczne, prąd elektryczny ma wiele cech. Najważniejsze z nich to jego wytrzymałość, napięcie obwodu i rezystancja. Pierwszym z nich jest charakterystyka ilościowa ładunku przechodzącego przez przekrój poprzeczny danego przewodnika w jednostce czasu. Napięcie (zwane również siłą elektromotoryczną) to nic innego jak wielkość różnicy potencjałów, dzięki której przechodzący ładunek wykonuje określoną pracę. Wreszcie, opór jest wewnętrzną cechą przewodnika, pokazującą, jaką siłę musi zużyć ładunek, aby przez niego przejść.