Напряжение тока – важное понятие электротехники. Что такое напряжение электрического тока

Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Напряжение

Условно напряжение обозначается буквой «U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х1018 электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока.

• Постоянное напряжение. Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.• Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:— амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;— мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;— действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;— средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться осциллографом. На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:

• Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.• В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.• Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.

Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока:

• В жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.• В вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.• В полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.

Условия возникновения электрического тока

• Нагревание проводников (не сверхпроводников).
• Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
• Химическая реакция с выделением новых веществ.
• Воздействие магнитного поля на проводник.

Формы сигнала тока

• Прямая линия.• Переменная синусоида гармоники.• Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).• Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Виды работы электрического тока

• Световое излучение, создающееся приборами освещения.
• Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
• Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
• Создание электромагнитного излучения.

Отрицательные явления, вызываемые электрическим током

• Перегрев контактов и токоведущих частей.
• Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
• Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:

• Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
• Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.

electrosam.ru

Что такое электрическое напряжение

С понятием «электрическое напряжение» всем нам приходится сталкиваться практически каждый день, ведь область его использования не ограничивается одними только электроприборами. Это и грозовые разряды во время дождя, и искры на пластмассовой расческе и одежде из синтетических тканей и пр.

Сухой академический язык дает следующее определение данному явлению: электрическое напряжение - это физическая величина, указывающая на величину совершаемой зарядом в 1 Кл (Кулон) работы. Кулон, в свою очередь, указывает на величину заряда, пропущенную по проводящему материалу за 1 секунду при силе тока в 1 А.

Также допустимо другое определение, согласно которому электрическое напряжение представляет собой отношение работы, выполняемой электрическим полем по перемещению тестового (пробного) заряда между двумя точками, к численному значению данного заряда. При этом принято считать, что перенос заряда не влияет на разность потенциалов (не изменяет напряжения), а траектория движения может быть проигнорирована. В виде формулы данное определение записывается следующим образом:

U=A/q,

где U – напряжение, A – работа, q – заряд.

Чтобы запомнить, в чем измеряется электрическое напряжение, нет необходимости в заучивании, ведь подсказка всегда под рукой, так как на всех источниках тока указывается значение напряжения и его размерность: достаточно взглянуть на любую батарейку. Единица измерения – Вольт (В, V).

Понятия «электрическое напряжение» для цепей постоянного и переменного тока различаются. В переменном токе, характеризующемся периодическим прохождением синусоиды через нулевую отметку, для расчетов используется не мгновенное, а действующее значение. Это возможно благодаря тому, что его работа при активной линейной нагрузке численно соответствует постоянному напряжению.

Тот, кому довелось сталкиваться с трехфазными электродвигателями, наверняка обратил внимание на странную запись в паспортных характеристиках. Там через знак дроби указывается два напряжения, например, 220/380 В. Никакой опечатки нет, действительно, оборудование способно работать на двух разных действующих значениях. Откуда же в сети 380 В может взяться 220? Оказывается, напряжение может быть как фазным, так и линейным, в зависимости от способа измерения. Фазное определяют, измеряя значение между каждой фазой и нулевым проводом, а линейное – между фазными проводниками. Соединив цепь нагрузки в треугольник, можно получить равенство линейного и фазного напряжений, а для схемы «звезда» фазное в 1,73 раза меньше линейного.

Для измерения напряжения используется специальный прибор – вольтметр. Главная его особенность – это необходимость подключения токоснимающих щупов параллельно нагрузке. Высокое внутреннее сопротивление не вносит шунтирующих искажений. Именно поэтому, например, в бытовом применении возможно прямое подключение к розетке (в отличие от амперметра, включающегося в разрыв цепи).

Но оставим трехэтажные формулы академикам и разберемся, что же такое «напряжение электрического тока», говоря простым человеческим языком. Итак, это разность зарядов (потенциалов) между двумя произвольными точками проводника или электрического поля. Источник, вызывающий движение электронов по проводнику (генератор, батарея), создает на одном его конце их избыток, а на другом – недостаток. Соответственно, значение зарядов также отличается. Достаточно соединить эти точки любой проводящей средой, и возникнет электрический ток – движение заряженных частиц, стремящееся нивелировать указанное различие. Другими словами, природа тока подразумевает стремление атомов к устойчивому состоянию, нарушенному магнитными полями генератора. Напряжение может существовать и без тока, если сопротивление между точками велико. Это объясняет тот факт, что привычные батарейки не «бьются током».

fb.ru

Что такое напряжение, ток, сопротивление: разбираемся на примерах

Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.

И так будем разбираться во всем по порядку.

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10-19 Кл (Кулон). Обозначается е или е–.

Напряжение

Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V. Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд, высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток.

Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.

Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!

Единица измерения силы тока – Ампер (А). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I. Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·1018 электронов) за 1 секунду.

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление.

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.

Сопротивление

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.

Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.

Мощность

Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.

Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.

Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P. Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность, единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A), обозначается буквой S.

И в завершение про Электрическую цепь. Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.

Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями R (Ом) от плюса к минусу течет электрический ток I (А) заставляющий светиться лампочку мощностью P (Вт). Не обращайте внимания на яркость лампы, это из-за плохого давления и малого потока воды батареек.

Фонарик, что представлен на фотографии, собран на базе конструктора «Знаток». Данный конструктор позволяет ребенку в игровой форме познать основы электроники и принцип работы электронных компонентов. Поставляется в виде наборов с разным количеством схем и разного уровня сложности.

imolodec.com

Что такое напряжение тока

electric-220.ru

Что такое напряжение в электрических цепях

Все мы знаем, что для того, чтобы включить свет, необходимо нажать на поворотную клавишу выключателя, щелкнуть им. Щелчок – и лампа загорается, освещая все вокруг. Обычно мало кто задумывается о процессах, происходящих в эти моменты. На самом же деле многие исследователи посвятили годы на то, чтобы разобраться, что такое напряжение и ток.

Из аналогии с жидкостями смысл слова «ток» известен всем – это направленное движение, поток. Применительно к электричеству, он представляет собой упорядоченное движение отрицательно и положительно заряженных частиц. Важно учитывать, что речь идет не только об электронах, но и об атомах, их утративших. Заряд электрона отрицателен, а вот у ионов (упомянутых атомов) – положителен. Понять, что такое напряжение, поможет следующий пример.

Представим себе простейшую схему: лампа накаливания, выключатель, подключенный в разрыв одного из двух подведенных проводов, и источник питания. Чтобы лампа загорелась, необходимо, прежде всего, разбираться, что такое напряжение и в чем отличие естественного движения частиц и принудительного.

Металл провода состоит из атомов, в которых постоянно происходит естественное движение электронов. Однако о токе в данном случае речь не идет, так как имеет место неупорядоченное (хаотичное, ненаправленное) их перемещение. Частицы «заставляет» смещаться в нужном направлении электрическое поле. Его источником могут служить генераторы на электростанциях, химические элементы и пр. Между силой тока и полем, его вызывающим, существует прямая зависимость: с ростом величины электрического поля увеличивается и ток.

Вообще, сила тока – это количество элементарных частиц, «прошедших» через проводник за единицу времени. Суммарный заряд успевших пройти электронов измеряется в кулонах. Отсюда единицей силы тока, ампером, является заряд в 1 кулон, прошедший через проводник за 1 секунду.

Однако без понимания того, что такое напряжение, невозможно определить численную зависимость тока от электрического поля. Фактически, поле представляет собой силу, которая заставляет каждый электрон (или кулон) двигаться в нужном направлении. Однако так как значение поля различается в каждой точке проводника, было принято его характеризовать работой по перемещению заряда, а не абстрактной силой.

Итак, напряжение – это разность потенциалов на противоположных концах проводника, подключенного к источнику ЭДС. Напряжение измеряется в вольтах. Для этого служит специальный прибор – вольтметр. Он подключается параллельно нагрузке: для вышеуказанного примера два щупа вольтметра соединяются с соответствующими двумя контактами лампы. Это позволяет измерить напряженность поля между этими точками.

Для упрощения понимания можно представить само «поведение» заряженных частиц в проводнике. Электрон, как уже указывалось, обладает отрицательным зарядом, следовательно, притягивается к частицам с противоположным знаком заряда. Чем выше концентрация ионов у какого-либо полюса, тем больше свободных электронов в проводнике (ведь они – часть атомов). Эта разница между соотношением «-» и «+» является напряжением.

Поле (напряжение) генерируют на электростанциях. Исходя из закона электромагнитной индукции, в проводнике, пересекающем линии напряженности магнитного поля, возникает электродвижущая сила. Достаточно подключить нагрузку и создать цепь, как появится напряжение. В генераторах внешняя сила (вода, пар, ветер) вращает электромагнит, который своим полем наводит в обмотках ЭДС. Каждая обмотка формирует фазу. Наибольшее распространение получило трехфазное напряжение. Для его создания в генераторе присутствуют сразу три обмотки, размещенные определенным образом (отстающие друг от друга на 120 градусов).

fb.ru

Напряжение тока – важное понятие электротехники

Электричество – наиболее используемый человеком вид энергии. Без преувеличения можно сказать, что определение электрического тока как упорядоченного движения электронов хорошо известно еще из школьного учебника физики. Но вот что такое напряжение тока и каким образом обеспечивается это «упорядоченное движение», ответит далеко не каждый. Вспомним, что электрон, элементарный электрический заряд, сам по себе по проводнику не движется. С другой стороны, только движение зарядов по цепи сопровождается выполнением полезной работы в виде превращения энергии из одного вида в другой. Именно благодаря этим превращениям электрический ток в одних случаях накаляет нить лампочки, а в других – вращает ротор электродвигателя. В первом случае имеем превращение электрической энергии в тепловую, а во втором – в магнитную. Энергия движущихся зарядов расходуется за счет источника, который поддерживает электрический ток в цепи. Протекая по проводнику, ток переносит энергию источника ЭДС до потребителя – нити накала, обмоток электродвигателя и т.д.

Если определить ток как количество зарядов, протекающих по проводнику, то можно сказать, что работа тока зависит от количества этих зарядов в единицу времени. А от чего зависит электрический ток в цепи? Рассмотрим модель протекания тока на примере водяной струи, вытекающей из отверстия в нижней части цилиндра, заполненного доверху. Представим, что в нашей модели цилиндр - это проводник, а вода – это большое число капелек-электронов. Тогда совершенно ясно, что вытекающее за единицу времени количество воды зависит от двух параметров – давления столба воды, которое в электрических цепях именуется как напряжение тока, и диаметра отверстия – аналога электрического сопротивления. Высота водяного столба в данной модели определяет верхний потенциал источника энергии, капельки-заряды похожи на поток электронов, которые перемещаются от верхнего слоя к нижнему. Потенциальная энергия водяной массы, т.е. способность выполнить некоторую полезную работу, на верхнем и нижнем уровнях разная. Благодаря наличию разницы потенциалов вода может вытекать из отверстия и с преобразованием потенциальной энергии столба воды в кинетическую энергию струи воды. Если высоту водяного столба увеличивать, то разность потенциалов, или напряжение тока, увеличивается, и сила тока, точнее, масса вытекающей в единицу времени воды, также растет. Таким образом, предложенная модель показывает прямо пропорциональную зависимость силы тока от напряжения.

В теории электричества этот вывод записывается следующим образом: I = f(U)* K, где I - ток, U – напряжение, а K – индивидуальная характеристика реакции электрической цепи на проходящий ток - проводимость. В технике обычно применяют величину, обратную проводимости R = 1/K , и называется она «сопротивление». Сопротивление обычно трактуется как полезная нагрузка цепи. В нашей модели таким «сопротивлением» выступает площадь отверстия для слива воды: чем она больше, тем больше ее проходимость, или, говоря языком электротехники, проводимость, а значит, сопротивление потоку воды уменьшается.

На модели наглядно видно, как потенциальная энергия потока капелек-зарядов преобразуется в кинетическую энергию вытекающей струи. Чем меньше сопротивление (или больше проводимость), тем большая механическая работа выполняется над массой воды. Иначе говоря, полезные нагрузки разных видов – это преобразователи тока, например, нить накаливания преобразует электрическую энергию в тепловую и световую, катушка реле преобразует электрическую энергию в магнитную и т.д.

Возвращаясь к электрическим цепям, можно сделать вывод, что сила тока I и напряжение тока U являются электрическими параметрами, определяющими работу тока А (А= U*I).

При этом сила тока определяется количеством перенесенного заряда, а напряжение и есть та причина, которая заставляет электроны «упорядоченно» перемещаться от большего потенциала к меньшему. Если напряжение тока отсутствует, то никакое количество свободных электронов в веществе не приведет к движению зарядов. Это значит, что отсутствие напряжения тока не приводит к передаче энергии.

Хорошей демонстрацией полученных выводов являются гидроэлектростанции: их строят с использованием большого перепада уровней (потенциалов) воды. Здесь масса падающей воды подобна току, а разница уровней верхнего и нижнего бьефов играет роль перепада потенциалов.

fb.ru

Что такое напряжение и ток | Начинающим

Что такое напряжение и ток

Напряжение и ток — это количественные понятия, о которых следует помнить всегда, когда дело касается электронной схемы. Обычно они изменяются во времени, в противном случае работа схемы не представляет интереса.

Напряжение (условное обозначение: U, иногда Е). Напряжение между двумя точками — это энергия (или работа), которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом (т. е. первая точка имеет более отрицательный потенциал по сравнению со второй). Иначе говоря, это энергия, которая высвобождается, когда единичный заряд «сползает» от высокого потенциала к низкому. Напряжение называют также разностью потенциалов или электродвижущей силой (э. д. с). Единицей измерения напряжения служит вольт. Обычно напряжение измеряют в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 103 В), милливольтах (1 мВ = 10-3 В) или микровольтах (1 мкВ = 10-6 В). Для того чтобы переместить заряд величиной 1 кулон между точками, имеющими разность потенциалов величиной 1 вольт, необходимо совершить работу в 1 джоуль. (Кулон служит единицей измерения электрического заряда и равен заряду приблизительно 6*1018 электронов.) Напряжение, измеряемое в нановольтах (1 нВ = 10-9 В) или в мегавольтах (1 МВ = 106 В) встречается редко.

Ток (условное обозначение: I). Ток — это скорость перемещения электрического заряда в точке. Единицей измерения тока служит ампер. Обычно ток измеряют в амперах (А), миллиамперах (1 мА = 10-3 А), микроамперах (1 мкА = 10-6 А), наноамперах (1 нА = 10-9 А) и иногда в пикоамперах (1 пкА = 10-12 А). Ток величиной 1 ампер создается перемещением заряда величиной 1 кулон за время, равное 1 с. Условились считать, что ток в цепи протекает от точки с более положительным потенциалом к точке с более отрицательным потенциалом, хотя электрон перемещается в противоположном направлении.

Запомните: напряжение всегда измеряется между двумя точками схемы, ток всегда протекает через точку в схеме или через какой-либо элемент схемы.

Говорить «напряжение в резисторе» нельзя — это неграмотно. Однако часто говорят о напряжении в какойлибо точке схемы. При этом всегда подразумевают напряжение между этой точкой и «землей», то есть такой точкой схемы, потенциал которой всем известен. Скоро вы привыкнете к такому способу измерения напряжения.

Напряжение создается путем воздействия на электрические заряды в таких устройствах, как батареи (электрохимические реакции), генераторы (взаимодействие магнитных сил), солнечные батареи (фотогальванический эффект энергии фотонов) и т. п. Ток мы получаем, прикладывая напряжение между точками схемы.

Здесь, пожалуй, может возникнуть вопрос: а что же такое напряжение и ток на самом деле, как они выглядят? Для того чтобы ответить на этот вопрос, лучше всего воспользоваться таким электронным прибором, как осциллограф. С его помощью можно наблюдать напряжение (а иногда и ток) как функцию, изменяющуюся во времени.

В реальных схемах мы соединяем элементы между собой с помощью проводов, металлических проводников, каждый из которых в каждой своей точке обладает одним и тем же напряжением (по отношению, скажем, к земле). В области высоких частот или низких полных сопротивлений это утверждение не совсем справедливо. Сейчас же примем это допущение на веру. Мы упомянули об этом для того, чтобы вы поняли, что реальная схема не обязательно должна выглядеть как ее схематическое изображение, так как провода можно соединять поразному.

Запомните несколько простых правил, касающихся тока и напряжения:

1. Сумма токов, втекающих в точку, равна сумме токов, вытекающих из нее (сохранение заряда). Иногда это правило называют законом Кирхгофа для токов. Инженеры любят называть такую точку схемы узлом. Из этого правила вытекает следствие: в последовательной цепи (представляющей собой группу элементов, имеющих по два конца и соединенных этими концами один с другим) ток во всех точках одинаков.

2. При параллельном соединении элементов (рис. 1) напряжение на каждом из элементов одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжения между точками А и В, измеренная по любой ветви схемы, соединяющей эти точки, одинакова и равна напряжению между точками А и В. Иногда это правило формулируется так: сумма падений напряжения в любом замкнутом контуре схемы равна нулю. Это закон Кирхгофа для напряжений.

3. Мощность (работа, совершенная за единицу времени), потребляемая схемой, определяется следующим образом:

   P = UI

Вспомним, как мы определили напряжение и ток, и получим, что мощность равна: (работа/заряд)*(заряд/ед. времени). Если напряжение U измерено в вольтах, а ток I — в амперах, то мощность Р будет выражена в ваттах. Мощность величиной 1 ватт — это работа в 1 джоуль, совершенная за 1 с (1 Вт=1 Дж/с).

Мощность рассеивается в виде тепла (как правило) или иногда затрачивается на механическую работу (моторы), переходит в энергию излучения (лампы, нередатчики) или накапливается (батареи, конденсаторы). При разработке сложной системы одним из основных является вопрос определения ее тепловой нагрузки (возьмем, например, вычислительную машину, в которой побочным продуктом нескольких страниц результатов решения задачи становятся многие киловатты электрической энергии, рассеиваемой в пространство в виде тепла).

В дальнейшем при изучении периодически изменяющихся токов и напряжений мы обобщим простое выражение Р=UI. В таком виде оно справедливо для определения мгновенного значения мощности. Кстати, запомните, что не нужно называть ток силой тока — это неграмотно.

www.radiomexanik.spb.ru

• 
  Реверс редуктор
• 
  Экскаватор планировщик
• 
  Рено мастер грузовой фургон технические характеристики
• 
  Однобалочный мостовой кран
• 
  Трактора беларусь
• 
  Ford transit технические характеристики
• 
  Мерседес вито технические характеристики
• 
  Почему при склеивании и паянии применяют жидкий клей и расплавленный припой
• 
  Д 21 двигатель
• 
  Землеройная машина
• 
  Двигатель д 21