Как правило, большая часть работы, выполняемой электричеством, отдается в виде тепла. Теплоотдача — это величина, соответствующая количеству тепла, выделяемого в единицу времени. Согласно закону Джоуля-Ленца, теплоотдача проводника пропорциональна силе тока и приложенному напряжению:
Электрический ток
Электрический ток течет по проводу. Ток протекает по проводу и «течет», почти как вода. Представьте, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой сад из шланга. Вы немного поворачиваете кран, и вода сразу же поступает в шланг. Медленно, но все же течет.
Сила потока очень слабая. Затем вы решаете, что вам нужно больше давления, и поворачиваете кран до упора. В результате получается настолько сильная струя, что ни один помидор не остается незамеченным, несмотря на то, что диаметр трубки в обоих случаях одинаковый.
Теперь представьте, что вы наполняете два ведра с помощью двух шлангов. Зеленый имеет более сильное давление, желтый — более слабое. Ведро, которое наполняется быстрее, имеет большее давление. Это происходит потому, что объем воды из двух разных труб за один и тот же промежуток времени различен. Другими словами, из зеленой трубы за то же время выходит гораздо большее количество молекул воды, чем из желтой.
Если мы возьмем линию электропередачи, произойдет то же самое: Заряженные частицы движутся по линии, как молекулы воды. Когда по трубе движется больше заряженных частиц, «давление» также увеличивается.
- Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.
Бесплатный урок для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Зарегистрируйтесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
Сила тока
Для измерения «давления» электричества сразу же необходима величина. Поэтому она зависит от количества частиц, проходящих через проводник.
Сила тока — это физическая величина, которая показывает, сколько заряда протекает через проводник в единицу времени.
Как обозначается сила тока?
Сила тока обозначается буквой I
Фактический ток
I = q/t
Ток измеряется в амперах. Единица измерения была выбрана не случайно.
Во-первых, он назван в честь физика Андре-Мари Ампера, который изучал электрические явления. Во-вторых, единица измерения была выбрана на основе явления взаимодействия между двумя проводниками.
К сожалению, сравнение с водопроводной трубой здесь не работает. Водопроводные трубы не притягиваются друг к другу и отталкиваются в непосредственной близости (а жаль, было бы забавно).
Когда электричество проходит через две параллельные трубы в одном направлении, трубы притягиваются. А когда они движутся в противоположном направлении (вдоль тех же проводников), то отталкиваются.
Единицей силы тока 1 А является сила, с которой два параллельных проводника длиной 1 м, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, действуют друг на друга с силой 0,0000002 Н.
Проблема
Найдите силу тока в цепи, когда через нее за 2 секунды проходит заряд 300 мКал.
Решение:
Воспользуемся формулой для силы тока
I = 300 мКал / 2 секунды = 150 мА
Ответ: Ток в цепи составляет 150 мА.
Чтобы хорошо запомнить теорию, нужно много практиковаться. Уроки физики в 10 классе в Skysmart — это отличный способ попрактиковаться в решении задач.
Проводники и диэлектрики
Некоторые люди делят мир на черное и белое, а мы делим его на проводники и диэлектрики.
- Проводники — это материалы, которые проводят электрический ток. Самыми лучшими проводниками являются металлы.
- Диэлектрики — материалы, которые не проводят электрический ток. Изи!
Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам.
Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, резина
Тот факт, что диэлектрик не возбуждает электричество, не означает, что он не может генерировать заряд. Накопление заряда не зависит от зарядной емкости.
Занимайтесь по 15 минут в день. Освоить английскую грамматику и лексику. Сделайте язык частью своей жизни.
Что такое электрический ток?
Электрические явления существуют уже давно, но только относительно недавно люди смогли их объяснить. Молния казалась неестественной, необъяснимой. Скрип некоторых предметов, когда они трутся друг о друга, казался странным. Гребень, сверкающий в темноте после расчесывания шерсти животных (например, кошек), вызвал удивление, но пробудил интерес к этому явлению.
Как всё начиналось
Древние греки знали, что янтарь, втертый в волосы, притягивает определенные мелкие предметы. Кстати, греческое название янтаря — «электрон» — является происхождением названия «электричество».
Когда физики начали изучать электризацию тел, они стали понимать природу этих явлений. Первый искусственный кратковременный электрический ток был создан, когда два наэлектризованных объекта были соединены проводником (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уилер обнаружили проводимость зарядов в определенных материалах. Однако они не смогли дать определение электрического тока, хотя знали, что заряды движутся по проводнику от одного тела к другому.
Тема электричества как физического явления стала обсуждаться только после того, как итальянец Вольта объяснил эксперименты Гальвани и в 1794 году изобрел первый в мире источник электричества — гальванический элемент (столб Вольта). Он объяснил равномерное движение заряженных частиц в замкнутом контуре.
Определение
В современной интерпретации электричество — это направленное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля, при котором металлические проводники заряжаются электронами, а растворы кислот и солей — отрицательными и положительными ионами. Носителями заряда в полупроводниках являются электроны и «дырки».
Для протекания электрического тока всегда должно присутствовать электрическое поле. Должна существовать разность потенциалов, которая поддерживает наличие первых двух условий. Пока эти условия соблюдаются, заряды плавно движутся по замкнутому контуру. Эта работа выполняется с помощью источников электрической энергии.
Такие условия могут быть созданы, например, с помощью аппарата электромодуляции (рис. 2). Когда два диска вращаются в противоположных направлениях, они заряжаются противоположными зарядами. На щетках, прилегающих к дискам, создается разность потенциалов. Соединяя контакты с проводником, мы заставляем заряженные частицы двигаться равномерно. Другими словами, устройство электромодуляции является источником электрической энергии.
Источники тока
Первыми источниками электричества, нашедшими практическое применение, были уже упоминавшиеся гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (широко известные как батареи) широко используются и сегодня. Они используются для питания распределительных щитов, электронных часов, детских игрушек и многих других устройств.
Электричество получило второй толчок в развитии благодаря изобретению генераторов переменного тока. Началась эра электрификации городов, а затем и всех жилых районов. В развитых странах электричество стало доступно всем гражданам.
Сегодня человечество находится в поиске возобновляемых источников энергии. Солнечные панели и ветряные турбины уже заняли постоянное место в энергетических системах многих стран, включая Россию.
Характеристики
Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.
Сила и плотность тока
Термин «электрический ток» часто используется для описания свойства электричества. Этот термин не совсем корректен, поскольку он описывает только интенсивность движения электрических зарядов, а не силу в прямом смысле. Тем не менее, этот термин используется и описывает количество электрической энергии (зарядов), протекающей через поперечное сечение проводника. Единицей измерения тока в системе СИ является ампер (A).
1 A означает, что электрический заряд в 1 Кл проходит через поперечное сечение проводника за одну секунду (1A = 1 Кл/с).
Плотность тока — это векторная величина. Вектор направлен в сторону положительных зарядов. Мера этого вектора равна отношению силы тока в поперечном сечении проводника, перпендикулярном направлению потока зарядов, к площади этого сечения. В системе СИ она измеряется в А/м 2. Плотность — это более емкостная мера электричества, но на практике чаще используется термин «интенсивность».
Разность потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается следующим соотношением: U = I × R, где U — напряжение, I — ток, R — сопротивление. Это знаменитый закон Ома для электрической цепи.
Мощность
Электрические силы действуют против активного и реактивного сопротивления. При пассивном сопротивлении работа преобразуется в тепловую энергию. Мощность — это работа, выполняемая в единицу времени. Термин «мощность тепловых потерь» применяется к электроэнергии. Физики Джоуль и Ленц доказали, что теплоемкость проводника равна силе тока, умноженной на напряжение: P = I × U. Единицей измерения мощности является ватт (Вт).
Частота
Переменный ток также характеризуется частотой. Эта характеристика показывает, как изменяется число периодов (колебаний) в единицу времени. Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 период в секунду. Типичная частота для промышленного электроснабжения составляет 50 Гц.
Ток смещения
Для простоты было введено понятие тока смещения, хотя его нельзя назвать током в классическом смысле, поскольку переноса заряда не происходит. С другой стороны, сила магнитного поля зависит от токов проводимости и поляризации.
Токи дрейфа можно наблюдать в конденсаторах. Хотя между токами заряда и разряда не происходит переноса заряда, поляризационные токи протекают через конденсатор и замыкают цепь.
Виды тока
В зависимости от способа генерации и характеристик электрический ток бывает постоянным или переменным. Постоянный ток — это ток, который не меняет своего направления. Она всегда течет в одном направлении. Переменный ток периодически меняет направление. Переменный ток — это любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в постоянной последовательности через равные промежутки времени
Классификация переменного тока
Электричество движется в металлическом проводнике со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы движутся от полюса к полюсу с одинаковой скоростью. В металлических проводниках электроны сталкиваются с сопротивлением атомов, поэтому их фактическое перемещение составляет всего 0,1 мм в секунду. Фактическая, упорядоченная скорость электронов в проводнике называется скоростью скольжения.
- Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
- квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
- Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
- Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.
Если соединить полюса источника энергии с проводником, вокруг проводника мгновенно образуется электрическое поле. Чем больше ЭЭД источников, тем сильнее напряженность электрического поля. В ответ на напряженность поля заряженные частицы немедленно принимают равномерное движение и начинают дрейфовать.
Дрейфовая скорость электронов
Самым простым и привычным источником электричества является аккумулятор, или в своей простейшей форме перезаряжаемая батарейка или простая батарейка. Это источники постоянного тока. У этих источников есть одно преимущество.
Они имеют положительный полюс, обозначаемый знаком плюс (+), и отрицательный полюс, обозначаемый знаком минус (-).
Источник электрического тока
Когда полюса подключены к потребителю тока, например, к лампе с помощью провода (или проводов), ток течет в определенном направлении (благодаря электрическому полю), и лампа загорается.
Ток течет от положительной стороны к отрицательной, хотя обычно говорят, что он течет в противоположном направлении. Но это не так важно на начальном этапе.
Каковы источники тока? Давайте выделим три основных источника:
Выше я привел схему гальванического элемента. Гальванический элемент — это устройство, в котором происходят химические реакции. В результате этих реакций выделяется энергия, которая преобразуется в электричество.
Батарею и аккумулятор можно рассматривать как гальванические элементы. Природа этих клеток следующая.
- Гальванический источник – батарейка или аккумулятор.
- Термический источник или термоэлемент, в таком элементе электрический ток появляется при повышении температуры.
- Фотоэлемент – электричество появляется при воздействии излучения.
Гальванический элемент
Есть два металлических элемента, анод (например, цинк) и катод (например, медь). Эти элементы находятся в определенной среде (электролите). Форм-фактор этих элементов не имеет значения. Это может быть лист цинка и углеродистый стержень или два листа металла, это не важно.
Катод и анод имеют разные заряды, положительный и отрицательный. Разные заряды заставляют электроны в электролите двигаться, создавая электрическое поле, которое генерирует электрический ток.
Со временем реакции в гальваническом элементе ослабевают, поэтому приходится покупать новую батарею или заряжать аккумулятор автомобиля (например).
Я не буду углубляться в другие пункты (источники) в этой статье. Надеюсь, теперь все ясно и в целом понятно. Теперь перейдем к трубопроводу.
Проводник является важной частью электрической цепи. Он служит для транспортировки
Как и во многих других средах, в металлах электроны движутся беспорядочно. Но если соединить источник и потребитель проводом, на металл от источника действует электрическое поле, и электроны начинают двигаться быстрее и в определенном направлении.
Проводник электрического тока
Электрический ток обладает определенными эффектами, которые мы рассмотрим вкратце.
В системе СИ основной единицей силы тока является ампер (А — по имени французского физика и математика Аберта Мари). В формулах и расчетах ампер обозначается буквой ( I ).
Отношение между электрическим зарядом (q), прошедшим через поперечное сечение проводника, и временем его прохождения (t) называется силой тока.
Площадь поперечного сечения проводника — это площадь поперечного сечения металлической части кабеля, по которой проходит электрический ток (проводник). Она измеряется в миллиметрах.
Эффекты (действия) электрического тока
Например, кабель ВВГ (виниловый калибр) — первый кабель имеет две жилы с сечением 1,5 мм.
- Тепловой эффект. Этот эффект выражает себя в том случае когда электрический ток проходит через участок цепи с большим сопротивлением. В этом случае электричество преобразуется в тепло. Благодаря этому эффекту работают некоторые обогреватели. Тот же бытовой чайник работает благодаря этому эффекту – нагревательный элемент имеет большое сопротивление и он передает свое тепло воде, которая со временем начинает кипеть.
- Химический эффект. Я уже писал выше, что при прохождении тока через электролит, происходит обмен электронами между электродами. Такой эффект называют электролизом. Этот эффект используют в промышленности, например для получения некоторых металлов.
- Магнитный эффект. При прохождении электрического тока через некоторые перемычки и обмотки возникает магнитное поле. Этот эффект позволяет создавать электродвигатели, трансформаторы и другие электротехнические устройства.
Сила тока и электрический заряд
Существует также единица измерения электрического заряда — кулон (Cl), которая по сути определяет электрический ток, протекающий через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока 1 А.
В отличие от диэлектриков, проводники содержат свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, обычно разности электрических потенциалов, приходят в движение и генерируют электрический ток. Вольт-амперная характеристика является наиболее важным свойством проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейшую форму: Сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).
Металлы — носителями тока здесь являются электроны проводимости, которые обычно рассматриваются как электронный газ и явно обладают квантовыми свойствами вырожденного газа.
Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, генерируемыми излучением (ультрафиолетовым, рентгеновским и другими) и/или теплом.
Электролиты — жидкие или твердые вещества и системы, в которых ионы присутствуют в заметной концентрации, вызывая прохождение электрического тока. Ионы образуются при электролитическом разложении. При нагревании сопротивление электролитов уменьшается по мере увеличения числа молекул, распавшихся на ионы. Под действием тока, проходящего через электролит, ионы приближаются к электродам и нейтрализуются, осаждаясь на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу веществ, выделяющихся на электродах.
Основные типы проводников
Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых устройствах.
Атмосферное электричество — это электричество, содержащееся в воздухе. Бенджамин Франклин первым продемонстрировал наличие электричества в воздухе и объяснил причину возникновения молний и гроз.
Позже было установлено, что электричество накапливается в сгустках водяного пара в верхних слоях атмосферы, и были сформулированы следующие законы атмосферного электричества
Биотоки — движение ионов и электронов — играют очень важную роль во всех жизненных процессах. В результате биодинамика существует как на внутриклеточном уровне, так и в отдельных частях тела и органах. Нервные импульсы передаются посредством электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрические угри) способны накапливать потенциал в несколько сотен вольт и таким образом защищать себя.
Изучение электричества выявило многие его свойства, которые позволили найти практическое применение в различных областях человеческой деятельности и даже создать новые области, которые были бы невозможны без существования электричества. Как только было установлено, что электричество имеет практическое применение, и поскольку электричество можно генерировать различными способами, в промышленности появилось новое понятие: электричество.
Электрические токи в природе
Электричество используется в качестве носителя сигналов различной сложности и типа в различных областях (телефон, радио, панель управления, кнопка дверного замка и т.д.).
В некоторых случаях возникают нежелательные электрические токи, такие как блуждающие токи или токи короткого замыкания.
- при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
- напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
- атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
- место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.
Итак, мы узнали, что такое постоянный ток и что такое переменный ток. Но у вас, вероятно, все еще много вопросов. И именно это мы хотим рассмотреть в данном разделе нашей статьи.
В этом видео вы узнаете больше о том, что такое ток.
Мы поняли, что такое ток и напряжение. Теперь пришло время перейти к сути распределения электроэнергии. Это поможет вам чувствовать себя более уверенно при использовании электроприборов в будущем.
Как уже упоминалось, это может быть переменный или постоянный ток. Переменный ток используется в промышленности и в ваших розетках. Он более широко используется, поскольку его легче передавать по проводам. Это связано с тем, что изменить постоянное напряжение довольно сложно и дорого, в то время как переменное напряжение можно изменить с помощью обычных трансформаторов.
Применение
Осторожно. Ни один трансформатор переменного тока не работает с постоянным током. Это происходит потому, что свойства, которые он использует, присутствуют только в переменном токе.
С кондиционером, с другой стороны, все гораздо сложнее. Он может передаваться по одному, двум, трем или четырем проводам. Чтобы объяснить это, нам нужно понять вопрос: Что такое трехфазный ток?
Индуцированные токи, емкостные токи, пусковые токи, токи разомкнутой цепи, обратные токи, блуждающие токи и многие другие не могут быть рассмотрены в одной статье.
Использование электрического тока как носителя энергии
- получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
- получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
- получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
- возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
- получения звука,
- получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
- создания магнитного поля (в электромагнитах).
Использование электрического тока в медицине
- диагностика — биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология.
- Электроэнцефалография — метод исследования функционального состояния головного мозга.
- Электрокардиография — методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
- Электрогастрография — метод исследования моторной деятельности желудка.
- Электромиография — метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
- Лечение и реанимация: электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезнь болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.
Что такое мощность и плотность тока?
Более того, тема электрического тока весьма обширна, и для ее изучения была создана целая наука — электротехника. Тем не менее, мы надеемся, что нам удалось
- И первым из этих вопросов будет: что такое напряжение электрического тока? Напряжением называется разность потенциалов между двумя точками.
- Сразу возникает вопрос, а что такое потенциал? Сейчас меня вновь будут хаять профессионалы, но скажем так: это избыток заряженных частиц. То есть, имеется одна точка, в которой избыток заряженных частиц — и есть вторая точка, где этих заряженных частиц или больше, или меньше. Вот эта разница и называется напряжением. Измеряется она в вольтах (В).
- В качестве примера возьмем обычную розетку. Все вы наверняка знаете, что ее напряжение составляет 220В. В розетке у нас имеется два провода, и напряжение в 220В обозначает, что потенциал одного провода больше чем потенциал второго провода как раз на эти 220В.
- Понимание понятия напряжения нам необходимо для того, чтоб понять, что такое мощность электрического тока. Хотя с профессиональной точки зрения, это высказывание не совсем верное. Электрический ток не обладает мощностью, но является ее производной.
- Дабы понять этот момент, давайте вновь вернемся к нашей аналогии с водяной трубой. Как вы помните сечение этой трубы — это напряжение, а скорость потока в трубе — это ток. Так вот: мощность — это то количество воды, которое протекает через эту трубу.
- Логично предположить, что при равных сечениях, то есть напряжениях — чем сильнее поток, то есть электрический ток, тем больший поток воды переместиться через трубу. Соответственно, тем большая мощность передастся потребителю.
- Но если в аналогии с водой мы через трубу определенного сечения можем передать строго определенное количество воды, так как вода не сжимается, то с электрическим током все не так. Через любой проводник мы теоретически можем передать любой ток. Но практически, проводник небольшого сечения при высокой плотности тока просто перегорит.
- В связи с этим, нам необходимо разобраться с тем, что такое плотность тока. Грубо говоря — это то количество электронов, которое перемещается через определенное сечение проводника за единицу времени.
- Это число должно быть оптимальным. Ведь если мы возьмем проводник большого сечения, и будем передавать через него небольшой ток, то цена такой электроустановки будет велика. В то же время, если мы возьмем проводник небольшого сечения, то из-за высокой плотности тока он будет перегреваться и быстро перегорит.
- В связи с этим, в ПУЭ есть соответствующий раздел, который позволяет выбрать проводники исходя из экономической плотности тока.
Способы передачи электрического тока
Постоянный ток
- Но это совсем не обозначает, что постоянный ток нигде не используется. Он обладает другим полезным свойством, которое не присуще переменному. Его можно накапливать и хранить.
- В связи с этим, постоянный ток используют во всех портативных электроприборах, в железнодорожном транспорте, а также на некоторых промышленных объектах где необходимо сохранить работоспособность даже после полного прекращения электроснабжения.
- Самым распространенным способом хранения электрической энергии, являются аккумуляторные батареи. Они обладают специальными химическими свойствами, позволяющими накапливать, а затем при необходимости отдавать постоянный ток.
- Каждый аккумулятор обладает строго ограниченным объемом накапливаемой энергии. Ее называют емкостью батареи, и отчасти она определяется пусковым током аккумулятора.
- Что такое пусковой ток аккумулятора? Это то количество энергии, которое аккумулятор способен отдать в самый первоначальный момент подключения нагрузки. Дело в том, что в зависимости от физико-химических свойств, аккумуляторы отличаются по способу отдачи накопленной энергии.
- Одни могут отдать сразу и много. Из-за этого они, понятное дело, быстро разрядятся. А вторые отдают долго, но по чуть-чуть. Кроме того, важным аспектом аккумулятора является возможность поддержания напряжения.
- Дело в том, что как говорит инструкция, у одних аккумуляторов по мере отдачи емкости, плавно снижается и их напряжение. А другие аккумуляторы способны отдать практически всю емкость с одинаковым напряжением. Исходя из этих основных свойств, и выбирают эти хранилища для электроэнергии.
- Для передачи постоянного тока, во всех случаях используется два провода. Это положительная и отрицательная жила. Красного и синего цвета.
Переменный ток
- Переменный ток у нас вырабатывается генератором. Обычно почти все их них имеют трёхфазную структуру. Это значит, что генератор имеет три вывода и в каждый из этих выводов выдается электрический ток, отличающийся от предыдущих на угол в 120⁰.
