Электричество. Основные понятия. Понятие об электрическом токе

1. Понятие об электрическом токе

При рассмотрении различных явлений используется такое понятие, как гипотеза.

Гипотеза (от древнегреческого — «основание», «предположение») – это недоказанное утверждение, предположение или догадка. Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров), и поэтому выглядит правдоподобно. Гипотезу впоследствии или доказывают, превращая её в установленный факт, или же опровергают (например, указывая контрпример), переводя в разряд ложных утверждений.

Гипотеза имеет право на существование, если она в необходимой степени и в необходимом объеме позволяет объяснить некоторое явление и дать прогноз его развития.

При рассмотрении явлений, происходящих в электрических цепях, очень плодотворно используется гипотезао том, чтоэлектрический ток является направленным движением заряженных частиц. На самом деле, вероятно, это не совсем так. Ведь скорость распространения электрического сигнала в проводниках практически равнее скорости света в вакууме, и очевидно, что никакие частицы так быстро в плотных металлических телах распространяться не могут.

Тем не менее, такое представление об электрическом токе позволяет рассчитывать электрические цепи и схемы, объяснять происходящие в них явления. Причем результаты расчетов и выводов соответствуют наблюдаемым на практике явлениям, которые можно измерить соответствующим инструментом.

Общепринятым является предположение о том, что двигаются в проводниках положительные заряды, и это движение происходит в направлении от положительного к отрицательному выводу источника тока под действием разности потенциалов. Эта разность потенциалов называется напряжением, которое измеряется в вольтах и определяется вольтметром.

Рассмотрим простейшую электрическую схему (рис. 1).

На рис. 1а обозначение G– источник питания с напряжениемU,HL‑ лампа накаливания, на которойпадает(расходуется) все напряжениеU, I – ток, направление движения которого (направление движения заряженных частиц) показано стрелкой.

На рис. 1б изображена та же схема с включенными измерительными приборами – вольтметром V(может подключаться и непосредственно к лампочке) и амперметромA. Вольтметр подключается всегда параллельно источнику питания (в данном случае –G) или нагрузке (в данном случае –HL).

Амперметр всегда подключается последовательно непосредственно в тот участок цепи, в котором измеряется ток.

Вольтметры на рис. 1б покажут одинаковое напряжение в том случае, если сопротивление подводящих проводников будет бесконечно мало.

Ток в электрической цепи может быть постоянным, пульсирующим и переменным.

Постоянным током называется ток, текущий в одном направлении и не изменяющий своей величины во времени. Графически его можно изобразить прямой линией, параллельной оси времени в координатах «сила токаI– времяt» (рис. 2).

Соответственно, чтобы в цепи протекал постоянный ток, напряжение источника тока тоже должно быть постоянным, а состояние цепи не должно изменяться во времени.

В том случае, если изменение тока носит упорядоченный характер, то импульсы характеризуют по их форме (синусоидальные, пилообразные, прямоугольные и т.д.). В частности, на рис. 3 изображен ток с прямоугольными импульсами с амплитудой А, периодомТи длительностью импульсовτ. ОтношениеТ/τназывают скважностью следования импульсов.

В том случае, если с течением времени ток меняет не только величину, но и направление, то такой ток называют переменным (рис. 4).

При этом форма импульсов может быть различна, они также могут быть синусоидальными (как на рис. 4), пилообразными, прямоугольными (как на рис. 3), и т.д.

Величина, обратная периоду Т(1/Т) называется частотой, обозначается буквойfи измеряется в герцах (Гц). 1 Гц – это одно полное колебание (один полный период) в секунду.

В технике чаще всего используют синусоидальный переменный ток с промышленной частотой f= 50 Гц, (в США и Австралии – 60 Гц) с которой электроэнергию передают на большие расстояния при высоком напряжении (сотни киловольт). Так поступают из-за того, что передаваемая мощностьW(измеряется в ваттах) прямо пропорциональна току и напряжению (W=I∙U). Если передавать большую мощность при низком напряжении, то понадобятся большие токи, требующие для передачи электроэнергии проводов большого сечения. Так, например, для передачи тока в один ампер требуется медный проводник сечением около 0,25 мм2. Если требуется передать мощность в 1000000 Вт (1 МВт), то при напряжении 220 В ток в проводах составит 1000000/220 = 4545,5 А, что потребует проводник сечением 4545,5/0,25 = 18182 мм2или диаметром 152 мм, что, конечно, нереально. Если передавать ток под напряжением 220000 В (220 КВ), то ток в проводах составит всего 1000000/220000 = 4,55 А, для чего понадобится проводник сечением 4,55/0,25 = 18,2 мм2или диаметром 4,81 мм, что вполне возможно.

Для превращения высокого напряжения в низкое, используемое на промышленных предприятиях (380 В) или в быту (220 В), применяются понижающие трансформаторы, которые работают только на переменном токе, а чтобы превратить переменный ток в постоянный – выпрямители.

На рис. 5 изображена схема передачи тока на большое расстояние.

В бортовой электрической системе автомобилей используется постоянный ток с напряжением 12 и 24 В. Электрогенерирующей установкой является генератор переменного тока, который после прохождения блока диодов становится постоянным.

В то же время электронные системы управления агрегатами автомобиля используют как постоянный, так и пульсирующий и переменный ток. Последние генерируются различными датчиками, контролирующими рабочие параметры этих агрегатов.

Как правило, ток любой формы бывает неидеальным. Это связано с наличием различных помех его протеканию. В качестве помех, например, могут служить распространенные в окружающей среде электромагнитные колебания радиопередатчиков или электромагнитные поля проводников электрического тока. Эти помехи вызывают практически неупорядоченные или слабо упорядоченные колебания электрического тока с некоторой амплитудой ΔI(рис. 6). ВеличинаΔI называется шумом, а отношениеICP/ΔI– отношение «сигнал – шум». Шум вреден, т.к. мешает распознаванию истинного сигнала. Для подавления шума используются различные электронные фильтры.

При расчете электрических и электронных цепей широко используются основные законы электричества – закон Ома и закон Кирхгофа.

Закон Ома гласит, что ток Iв цепи равен частному от деления напряженияU, подведенного к цепи, на ее сопротивлениеR:

.

Так, если в схеме на рис. 1 напряжение U= 12 В, а сопротивление лампочкиR= 10 Ом, то ток в цепи будет равен 12/10 = 1,2 А.

Закон Кирхгофа говорит о том, что сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из узла (рис. 7)

Рассмотрим простую электрическую цепь постоянного тока, состоящую из нескольких элементов (рис. 8).

К схеме подведено постоянное напряжение U= 12 В. Так как напряжение есть разность потенциалов, то в точке А напряжение равно +12 В, а в точке Б оно равно нулю (12 – 0 = 12). Все это напряжение падает на электрической цепи, причем на каждом участке цепи падает (расходуется) часть напряжения, зависящая от сопротивления этого участка. Очевидно, что сумма падений напряженийU1иU2-3равнаU, т.е. 12 вольтам.

Определим эти падения напряжения, для чего нужно найти все сопротивления участков. На участке 1 сопротивление равно R1. Для определения сопротивления на участке 2 воспользуемся уравнением:

или.

Анализ полученного уравнения позволяет сделать вывод о том, что при параллельном соединении сопротивлений суммарное сопротивление всегда будет меньше наименьшего из соединенных параллельно сопротивлений. Поясним это на примере. Например, если R2 = 1 Ом, аR3 = 100 Ом, то суммарное сопротивлениеR2-3будет равно:

Известно, что падение напряжения прямо пропорционально сопротивлению участка цепи, т.е. можно записать:

Кроме того, как было сказано ранее

Последние два уравнения (система уравнений) позволяют рассчитать величины U1иU2-3(два неизвестных и два уравнения). Выразим из второго уравненияU1черезUиU2-3и получим

или, откуда путем алгебраических преобразований получаем:

.

Рассмотрим следующий пример: U= 12B,R1 = 10 Ом,R2 = 20 Ом,R3 = 40 Ом.

Определим R2-3:

.

Определим U2-3:

.

Определим U1:

.

Определим величину тока I1:

.

В точке В(рис. 8) токI1«раздваивается» обратно пропорционально сопротивлению участков цепи, т.е.:

при условии, что(закон Кирхгофа).

То есть, снова имеется два уравнения и два неизвестных (I2иI3).

Выразим I2в видеI2=I1–I3и получим:

, или

Для данного примера при I1= 0,51 А

Зависимость падения напряжения при последовательном включении сопротивлений от величины этих сопротивлений часто используется в так называемых делителях напряжений (рис. 9).

Например, если U1 = 12 В, R1= 6Oм,R2= 4 Ом, то напряжениеU2определится, как

.

Делители напряжения используются для питания отдельных участков электрических и электронных схем, где необходимо напряжение, отличное от напряжения источника питания.

Однако при расчете делителя напряжения необходимо учитывать входное сопротивление того участка цепи, которое он питает (рис. 10).

Если RВХдостаточно велико, в несколько раз большеR2, то величинаU2будет определяться практически напряжениемU1и соотношением сопротивленияR1иR2. В противном случае при расчетеU2необходимо учитывать совместное сопротивление параллельно включенныхR2иRВХ.

В связи с этим у подавляющего большинства приборов, служащих для измерения величины сигнала, связанного с измерением падения напряжения на участке контролируемой цепи, входное сопротивление очень высоко и составляет несколько мегом (миллионов Ом). В частности, таким прибором является вольтметр.

У приборов, измеряющих силу тока (амперметры) наоборот, внутренне сопротивление очень мало (доли Ома), так как чувствительный элемент (добавочный резистор) включается в разрыв цепи, через него проходит контролируемый ток, и он не должен вносить заметных изменений в работу электрической цепи (рис. 11).

Таким образом, при измерении силы тока фактически измеряется падение напряжения на добавочном резисторе, т.е. сам процесс измерения аналогичен работе вольтметра, имеющего большое входное сопротивление.

Некоторые правила чтения электронных схем

Обычно в электронных схемах происходит преобразование входного сигнала и создание выходного сигнала. Как правило, вход сигнала изображается в левой части схемы, а выход – в правой части. Таким образом, чтение схем производится слева направо.

Место подключения источника питания чаще всего показывается в правой части. Это обусловлено тем, что правая часть чаще всего насыщена более мощными электронными компонентами (выходной сигнал всегда мощнее входного).

Обычно электронная схема строится таким образом, что в ней выделяется «общий» проводник, который иногда называют «землей». Как правило, этот проводник соединен с «минусом» источника питания.

Для упрощения схем часто минусовой вывод элементов или блоков не доводят до линии общего «минуса», а обозначают его жирной короткой горизонтальной линией.

На рис. 12 и 13 изображены две произвольные электронные схемы, причем на рис. 12 использован «общий минусовой» проводник, а на рис. 13 - использовано его условное обозначение.

В этих схемах входной сигнал подается на «Вход», а «выходом» служит силовой элемент 2.

Контрольные вопросы

1. Что такое гипотеза, и когда она имеет право на существование?

2. Какая гипотеза используется при объяснении явления электрического тока в проводниках?

3. Как подключаются к электрическим схемам вольтметр и амперметр?

4. Что такое постоянный ток?

5. Что такое пульсирующий ток?

6. Что такое переменный ток?

7. Как передается электроэнергия на большие расстояния?

8. Что такое «шум» в электрической цепи?

9. Как формулируются законы Ома и Кирхгофа?

10. Что такое «падение напряжения», и как его измерить?

11. Что такое «делитель напряжения», и для чего он используется?

12. В каком порядке читаются электронные схемы?

studfiles.net

Электричество. Основные понятия

2013-05-13 Теория  

В этой статье предлагаю вам вспомнить базовые понятия в электрике, без которых любая работа, связанная с электричеством становится проблематичной.

Итак, любая электрическая цепь представляет собой совокупность различных устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. Простейшая электрическая цепь может состоять из источника энергии, нагрузки и проводников.

Проводники — вещества, проводящие электрический ток. Они обладают малым удельным сопротивлением( т.е оказывают наименьшее сопротивление прохождению тока) и способны проводить электрический ток практически без потерь. Лучшими проводниками являются золото, серебро, медь и алюминий. Наибольшее распространение, вследствии дороговизны золота и серебра, получили медь и алюминий. Медь наиболее часто встречающийся проводник, в отличии от алюминия, обладающий большей устойчивостью к окислению и физическим воздействиям: изгибу, скручеванию. Недостатком меди, по сравнению с алюминием, является более высокая стоимость.

Помимо проводников существуют также диэлектрики — вещества которые обладают большим удельным сопротивлением электрическому току (т.е являются непроводящими электрический ток). К ним относятся пластмассы, дерево, текстолит и т.д

Также надо отметить и еще один тип — полупроводники. По своему удельному сопротивлению они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. К числу полупроводников относятся многие химические элементы, но наибольшее распространение получили кремний и германий.

Источник энергии — это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую и другие виды энергии в электрическую.

Нагрузка — потребитель электрической энергии, т.е любой электроприбор, который преобразовывает электрическую энергию в механическую, тепловую, химическую и т.д

Прохождение электрического тока возможно только при замкнутой цепи.

Электрическим током в электротехнике называют направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля, создаваемого источником питания. Величина, характеризующая ток называется сила тока. Сила тока измеряется в Амперах и обозначается буквой А. Различают постоянный и переменный токи.

Постоянный ток ( DC, по-английски Direct Current) — это ток, свойства которого  и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Переменный ток (AC по-английски Alternating Current) — это ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах обозначается отрезком синусоиды « ~ ». Основными параметрами переменного тока являются период, амплитуда и частота.

Период — промежуток времени, в течение которого ток совершает одно полное колебание.

Частота — величина, обратная периоду, число периодов в секунду, измеряется в герцах (Гц).

Ток и напряжение в нагрузке увеличиваются и уменьшаются, а разница между минимальным и максимальным их значением называется амплитудой.

Измерение тока проводится амперметром, который подключается последовательно нагрузке.

Любой проводник в цепи, в зависимости от сечения, длины, материала, оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока называют сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом).

Разность потенциалов на концах источника питания называется напряжением. Напряжение измеряют в Вольтах и обозначают буквой В (V). В трехфазной электрической сети различают такие понятия, как линейное и фазное напряжения. Линейное напряжение ( или иначе межфазное) — это напряжение между двумя фазными проводами (380V). Фазное напряжение — это напряжение между нулевым проводом и одним из фазных (220V). Измеряется напряжение вольтметром, который подключается параллельно нагрузке.

Еще одним важным понятием в электротехнике является понятие мощности. Мощность источника характеризует скорость передачи или преобразования электроэнергии. Мощность измеряется в Ваттах (Вт, W).

Суммарная мощность всех подключенных потребителей равна сумме потребляемых мощностей каждым потребителем. Робщ = Р1+Р2+...Рn

Различают понятия активной и реактивной мощности. P – активная мощность (эффективная), связана с той электрической энергией, которая может быть преобразована в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую и др., измеряется в ваттах (Вт), представляет собой полезную мощность, которую можно использовать для выполнения работы.

P = IUcosф – для однофазной цепи, P = √3IUcosф – для трехфазной цепи, P = U*I — в цепи, где есть только активное сопротивление.

Q – реактивная мощность, связана с обменом электрической энергией между источником и потребителем, измеряется в вольт-амперах реактивных (вар), когда среднее значение мощности за период равно нулю, активная мощность равна нулю, энергия накопленная магнитным полем индуктивности, возвращается назад к источнику, ток в цепи не совершает работы, реактивный ток бесполезно загружает источники энергии и провода линии передач. Источниками реактивной энергии могут являться элементы, обладающие индуктивностью — электродвигатели, трансформаторы. Для того, чтобы уменьшить реактивную мощность на зажимах потребителей подключают конденсаторы (последовательно или параллельно).

Q = IUsinф – для однофазной цепи, Q = √3IUsinф – для трехфазной цепи

Сдвиг по фазе между током и напряжением обозначается углом φ. Коэффициент мощности — это соотношение активной мощности к полной, величина cosф равная углу сдвига фаз между напряжением и током. Чем выше cos φ, тем меньше тока требуется для преобразования электроэнергии в другие виды энергии. Это приводит к уменьшению потерь электроэнергии, ее экономии.

На этом пока все, а в следующей части познакомимся с основными законами электротехники, которые необходимо знать любому человеку, связанному с электричеством.

electric-blogger.ru

Понятие об электрическом токе

Зарядим два металлических шара, установленных на изолирующих подставках (рисунок 1), причем один шар А зарядим положительным электричеством, а другой Б – отрицательным электричеством. Если соединить шары металлическим проводником, то электроны будут переходить с шара Б, где имеется их избыток, на шар А, где их недостаток.

Рисунок 1. Движение электронов по проводнику

Движение электронов по проводнику называется электрическим током 1.

Электроны не проходят в своем движении всю длину проводника. Наоборот, они пробегают очень небольшие расстояния до столкновения с другими электронами, атомами или молекулами. Эти расстояния называются длиной свободного пробега электронов.

Если шар А непрерывно заряжать положительным электричеством, а шар Б – отрицательным электричеством, то электрический ток в проводнике также будет проходить непрерывно.

Практически электрический ток получают от специальных источников: гальванических элементов, аккумуляторов, генераторов.

Электрический ток непосредственно наблюдать нельзя. О прохождении тока можно судить только по тем действиям, которые он производит.

Отметим следующие признаки, по которым легко судить о наличии тока:

1. ток, проходя через растворы солей, щелочей, кислот, а также через расплавленные соли, разлагает их на составные части;
2. проводник, по которому проходит электрический ток, нагревается;
3. электрический ток, проходя по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

1 В электротехнике условно принято считать направление тока противоположным направлению движения электронов в проводнике. Иначе говоря, направление тока принято считать совпадающим с направлением движения положительных зарядов.

Источник: Кузнецов М. И., "Основы электротехники" - 9-е издание, исправленное - Москва: Высшая школа, 1964 - 560 с.

www.electromechanics.ru

1. Цепи постоянного тока.

1.1. Электрическая цепь, ее элементы и их назначение. Классификация цепей.

Электрическая цепь - это совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи и преобразования в другие виды электрической энергии. Она состоит из источника и приемника электрической энергии, связанных соединительными проводами. В источниках в электрическую энергию преобразуются другие виды энергии, например энергия падающей воды – в гидрогенераторах, химическая – в гальванических элементах. На промышленных предприятиях источником является подстанция предприятия.

В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии, например в механическую – в двигателях, в тепловую – в нагревательном и сушильном оборудовании, в световую – в осветительной аппаратуре.

Кроме этих элементов цепь включает в себя коммутационную, измерительную и защитную аппаратуру. Эти устройства служат для управления и контроля за работой цепи, а также для защиты ее элементов от перегрузок.

В зависимости от рода тока, протекающего в цепях, они подразделяются на цепи постоянного и переменного токов, в зависимости от способа соединения элементов цепей – на неразветвленные и разветвленные, а в зависимости от числа источников энергии – на цепи с одним или несколькими источниками.

Элементы, входящие в цепь, подразделяются по виду вольт-амперных характеристик, которые выражают зависимость тока, протекающего по элементу, от напряжения на нем. Элементы цепей, вольт-амперные характеристики которых линейны, называются линейными, а элементы, вольт-амперные характеристики которых нелинейны, называются нелинейными. Электрическая цепь, составленная из линейных элементов, называется линейной. Электрическая цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент, называется нелинейной.

1.2. Понятие об электрическом токе. Основные определения.

Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов, которое происходит под действием сил электрического поля.

За положительное направление тока условно принято направление движения положительных зарядов. На схемах положительное направление тока указывается стрелкой ““. Величина или сила тока определяется зарядом всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Ток, величина и направление которого остаются неизменными, называется постоянным, его величина обозначается символомI.

В системе СИ основной единицей силы тока является ампер (А) – заряд в 1 кулон (Кл), протекающий через поперечное сечение проводника в 1 секунду.

Ток, величина и направление которого не остаются неизменными, называется переменным. Значение переменного тока в данный момент времени называется мгновенным. Для обозначения мгновенного значения используется буква i.

По форме переменные токи могут быть весьма разнообразными, но наибольшее значение и распространение имеют токи периодические. Периодическим током называется ток, мгновенное значение которого повторяется через равные промежутки времени. Полный круг изменения периодического тока называется циклом. Время одного цикла называется периодом, обозначается буквой Т. Число периодов в секунду называется частотой периодического тока. Обозначается частота буквойf.

В системе СИ частота измеряется в герцах (Гц).

Периодические токи, которые изменяются по гармоническому закону, называются синусоидальными. Наибольшее значение синусоидального тока называется амплитудой и обозначается символом Im.

Токи постоянные и переменные возникают в цепях под действием электродвижущих сил (ЭДС), возбуждаемых в источниках в процессе преобразования в них какого-либо вида энергии в электрическую. Постоянные ЭДС обозначают буквой Е, а переменные –е. За положительное направление ЭДС принято направление действия сторонних сил, под действием которых заряды внутри источника переносятся от отрицательного полюса к положительному. На схемах для обозначения направления ЭДС используют стрелку ““, которая указывает направление увеличения потенциала. Такая же стрелка, используемая для обозначения положительных направлений напряжений, указывает направление уменьшения потенциала.

studfiles.net

Понятие об электрическом токе — КиберПедия

При рассмотрении различных явлений используется такое понятие, как гипотеза.

Гипотеза (от древнегреческого — «основание», «предположение») – это недоказанное утверждение, предположение или догадка. Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров), и поэтому выглядит правдоподобно. Гипотезу впоследствии или доказывают, превращая её в установленный факт, или же опровергают (например, указывая контрпример), переводя в разряд ложных утверждений.

Гипотеза имеет право на существование, если она в необходимой степени и в необходимом объеме позволяет объяснить некоторое явление и дать прогноз его развития.

При рассмотрении явлений, происходящих в электрических цепях, очень плодотворно используется гипотеза о том, что электрический ток является направленным движением заряженных частиц. На самом деле, вероятно, это не совсем так. Ведь скорость распространения электрического сигнала в проводниках практически равнее скорости света в вакууме, и очевидно, что никакие частицы так быстро в плотных металлических телах распространяться не могут.

Тем не менее, такое представление об электрическом токе позволяет рассчитывать электрические цепи и схемы, объяснять происходящие в них явления. Причем результаты расчетов и выводов соответствуют наблюдаемым на практике явлениям, которые можно измерить соответствующим инструментом.

Общепринятым является предположение о том, что двигаются в проводниках положительные заряды, и это движение происходит в направлении от положительного к отрицательному выводу источника токапод действием разности потенциалов. Эта разность потенциалов называется напряжением, которое измеряется в вольтах и определяется вольтметром.

Рассмотрим простейшую электрическую схему (рис. 1).

На рис. 1а обозначение G – источник питания с напряжением U, HL ‑ лампа накаливания, на которой падает (расходуется) все напряжение U, I –ток, направление движения которого (направление движения заряженных частиц) показано стрелкой.

На рис. 1б изображена та же схема с включенными измерительными приборами – вольтметром V (может подключаться и непосредственно к лампочке) и амперметром A. Вольтметр подключается всегда параллельно источнику питания (в данном случае – G) или нагрузке (в данном случае – HL).

Амперметр всегда подключается последовательно непосредственно в тот участок цепи, в котором измеряется ток.

Вольтметры на рис. 1б покажут одинаковое напряжение в том случае, если сопротивление подводящих проводников будет бесконечно мало.

Ток в электрической цепи может быть постоянным, пульсирующим и переменным.

Постоянным током называется ток, текущий в одном направлении и не изменяющий своей величины во времени. Графически его можно изобразить прямой линией, параллельной оси времени в координатах «сила тока I – время t» (рис. 2).

Соответственно, чтобы в цепи протекал постоянный ток, напряжение источника тока тоже должно быть постоянным, а состояние цепи не должно изменяться во времени.

В том случае, если направление движения заряженных частиц не меняется во времени (ток течет в одном направлении), но сила тока изменяется по величине, такой ток следует назвать пульсирующим (рис. 3).

В том случае, если изменение тока носит упорядоченный характер, то импульсы характеризуют по их форме (синусоидальные, пилообразные, прямоугольные и т.д.). В частности, на рис. 3 изображен ток с прямоугольными импульсами с амплитудой А, периодом Т и длительностью импульсов τ. Отношение Т/τ называют скважностью следования импульсов.

В том случае, если с течением времени ток меняет не только величину, но и направление, то такой ток называют переменным (рис. 4).

При этом форма импульсов может быть различна, они также могут быть синусоидальными (как на рис. 4), пилообразными, прямоугольными (как на рис. 3), и т.д.

Величина, обратная периоду Т (1/Т) называется частотой, обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). 1 Гц – это одно полное колебание (один полный период) в секунду.

В технике чаще всего используют синусоидальный переменный ток с промышленной частотой f = 50 Гц, (в США и Австралии – 60 Гц) с которой электроэнергию передают на большие расстояния при высоком напряжении (сотни киловольт). Так поступают из-за того, что передаваемая мощность W (измеряется в ваттах) прямо пропорциональна току и напряжению (W = I∙U). Если передавать большую мощность при низком напряжении, то понадобятся большие токи, требующие для передачи электроэнергии проводов большого сечения. Так, например, для передачи тока в один ампер требуется медный проводник сечением около 0,25 мм2. Если требуется передать мощность в 1000000 Вт (1 МВт), то при напряжении 220 В ток в проводах составит 1000000/220 = 4545,5 А, что потребует проводник сечением 4545,5/0,25 = 18182 мм2 или диаметром 152 мм, что, конечно, нереально. Если передавать ток под напряжением 220000 В (220 КВ), то ток в проводах составит всего 1000000/220000 = 4,55 А, для чего понадобится проводник сечением 4,55/0,25 = 18,2 мм2 или диаметром 4,81 мм, что вполне возможно.

Для превращения высокого напряжения в низкое, используемое на промышленных предприятиях (380 В) или в быту (220 В), применяются понижающие трансформаторы, которые работают только на переменном токе, а чтобы превратить переменный ток в постоянный – выпрямители.

На рис. 5 изображена схема передачи тока на большое расстояние.

В бортовой электрической системе автомобилей используется постоянный ток с напряжением 12 и 24 В. Электрогенерирующей установкой является генератор переменного тока, который после прохождения блока диодов становится постоянным.

В то же время электронные системы управления агрегатами автомобиля используют как постоянный, так и пульсирующий и переменный ток. Последние генерируются различными датчиками, контролирующими рабочие параметры этих агрегатов.

Как правило, ток любой формы бывает неидеальным. Это связано с наличием различных помех его протеканию. В качестве помех, например, могут служить распространенные в окружающей среде электромагнитные колебания радиопередатчиков или электромагнитные поля проводников электрического тока. Эти помехи вызывают практически неупорядоченные или слабо упорядоченные колебания электрического тока с некоторой амплитудой ΔI (рис. 6). Величина ΔIназывается шумом, а отношение ICP/ΔI – отношение «сигнал – шум». Шум вреден, т.к. мешает распознаванию истинного сигнала. Для подавления шума используются различные электронные фильтры.

При расчете электрических и электронных цепей широко используются основные законы электричества – закон Ома и закон Кирхгофа.

Закон Ома гласит, что ток I в цепи равен частному от деления напряжения U, подведенного к цепи, на ее сопротивление R:

.

Так, если в схеме на рис. 1 напряжение U = 12 В, а сопротивление лампочки R = 10 Ом, то ток в цепи будет равен 12/10 = 1,2 А.

Закон Кирхгофа говорит о том, что сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из узла (рис. 7)

Рассмотрим простую электрическую цепь постоянного тока, состоящую из нескольких элементов (рис. 8).

К схеме подведено постоянное напряжение U = 12 В. Так как напряжение есть разность потенциалов, то в точке А напряжение равно +12 В, а в точке Б оно равно нулю (12 – 0 = 12). Все это напряжение падает на электрической цепи, причем на каждом участке цепи падает (расходуется) часть напряжения, зависящая от сопротивления этого участка. Очевидно, что сумма падений напряжений U1 и U2-3 равна U, т.е. 12 вольтам.

Определим эти падения напряжения, для чего нужно найти все сопротивления участков. На участке 1 сопротивление равно R1. Для определения сопротивления на участке 2 воспользуемся уравнением:

или .

Анализ полученного уравнения позволяет сделать вывод о том, что при параллельном соединении сопротивлений суммарное сопротивление всегда будет меньше наименьшего из соединенных параллельно сопротивлений. Поясним это на примере. Например, если R2 = 1 Ом, а R3 = 100 Ом, то суммарное сопротивление R2-3 будет равно:

Известно, что падение напряжения прямо пропорционально сопротивлению участка цепи, т.е. можно записать:

Кроме того, как было сказано ранее

Последние два уравнения (система уравнений) позволяют рассчитать величины U1 и U2-3 (два неизвестных и два уравнения). Выразим из второго уравнения U1 через U и U2-3 и получим

Подставим полученный результат в первое уравнение:

или , откуда путем алгебраических преобразований получаем:

.

Рассмотрим следующий пример: U = 12 B, R1 = 10 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 40 Ом.

Определим R2-3:

.

Определим U2-3:

.

Определим U1:

.

Определим величину тока I1:

.

В точке В (рис. 8) ток I1 «раздваивается» обратно пропорционально сопротивлению участков цепи, т.е.:

при условии, что (закон Кирхгофа).

То есть, снова имеется два уравнения и два неизвестных (I2 и I3).

Выразим I2 в виде I2 = I1 – I3 и получим:

, или

Для данного примера при I1 = 0,51 А

Зависимость падения напряжения при последовательном включении сопротивлений от величины этих сопротивлений часто используется в так называемых делителях напряжений (рис. 9).

Например, если U1 =12 В, R1 = 6 Oм, R2 = 4 Ом, то напряжение U2 определится, как

.

Делители напряжения используются для питания отдельных участков электрических и электронных схем, где необходимо напряжение, отличное от напряжения источника питания.

Однако при расчете делителя напряжения необходимо учитывать входное сопротивление того участка цепи, которое он питает (рис. 10).

Если RВХ достаточно велико, в несколько раз больше R2, то величина U2 будет определяться практически напряжением U1 и соотношением сопротивления R1и R2. В противном случае при расчете U2 необходимо учитывать совместное сопротивление параллельно включенных R2 и RВХ.

В связи с этим у подавляющего большинства приборов, служащих для измерения величины сигнала, связанного с измерением падения напряжения на участке контролируемой цепи, входное сопротивление очень высоко и составляет несколько мегом (миллионов Ом). В частности, таким прибором является вольтметр.

У приборов, измеряющих силу тока (амперметры) наоборот, внутренне сопротивление очень мало (доли Ома), так как чувствительный элемент (добавочный резистор) включается в разрыв цепи, через него проходит контролируемый ток, и он не должен вносить заметных изменений в работу электрической цепи (рис. 11).

Таким образом, при измерении силы тока фактически измеряется падение напряжения на добавочном резисторе, т.е. сам процесс измерения аналогичен работе вольтметра, имеющего большое входное сопротивление.

cyberpedia.su

Понятие об электрическом токе - Электричество - Комплексные работы

Когда говорят об использовании электричества в быту, на производстве или на транспорте, то имеют в виду работу электрического тока.

Электрический ток подводят к потребителю от электростанции по проводам. Поэтому, когда неожиданно гаснут электрические лампы или прекращается движение электропоездов, трамваев и троллейбусов, говорят, что в проводах нет тока.

Что же такое электрический ток? Слово «ток» означает движение или течение чего-то. В реках и водопроводных трубах, например, течет вода, в трубопроводах — нефть или газ.

В этих случаях говорят о токе или потоке воды, нефти или газа. А что может перемещаться — течь в проводах, соединяющих потребителей электричества с электростанцией?

Мы уже знаем, что в телах имеются электроны — частицы, обладающие отрицательным электрическим зарядом. Электрическими зарядами могут обладать и атомы, у которых имеется недостаток или избыток электронов. Атомы, несущие положительный или отрицательный заряд, называют ионами. Поэтому в проводниках перемещаются различные заряженные частицы, которые можно заставить двигаться в одном направлении.

Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц.

Вопросы

1. Что такое электрический ток?
2. Где используют электрический ток?

Источники электрического тока

Для проведения различных опытов, работы электрических приборов необходим электрический ток. Его дают гальванические элементы, аккумуляторы, электрические генераторы. Все их называют источниками питания. Наиболее простыми источниками питания являются гальванические элементы.

Существует много типов гальванических элементов.

Каждый гальванический элемент имеет две пластины, называемые электродами или полюсами, помещенными в растворе химических веществ — электролите.

Положительный полюс обозначают знаком «плюс» (+), а отрицательный — знаком «минус» ( — ).

Положительным полюсом в гальванических элементах служит пластина, изготовленная из угля или пластика. Гальваническим элементом является также батарея для карманного фонаря.

Батарея для карманного фонаря

Кроме гальванических элементов, для питания электрической цепи применяют аккумуляторы. Аккумуляторы отличаются от элементов тем, что их необходимо сначала зарядить от других источников питания (например, от генератора). Заряжать и разряжать можно много раз; поэтому аккумуляторы служат несколько лет.

Устроен аккумулятор довольно сложно, а работа с ними требует знаний основ электротехники и большой осторожности, так как в качестве химических веществ применяют кислоты и щелочи.

Обычно применяют аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких аккумуляторов, соединенных последовательно.

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторные батареи используют для пуска автомобильного двигателя, освещения железнодорожных вагонов.

Вопросы

1. Назовите источники питания.
2. Чем отличается аккумулятор от других источников питания?
3. Где применяют аккумуляторы?

«Слесарное дело», И.Г.Спиридонов,Г.П.Буфетов, В.Г.Копелевич

В штепсельную розетку при помощи штепсельных вилок включают в электрическую цепь переносные осветительные или соединительные шнуры электробытовых приборов. В основании из изоляционного материала штепсельной розетки укреплены два латунных гнезда, к которым присоединяют провода от электрической сети. Штепсельная розетка Штепсельная вилка состоит из корпуса с отверстием для шнура. В корпусе из изоляционного материала имеются металлические втулки…

В производственных помещениях, помимо выключателей, устанавливают общие рубильники. В больших домах рубильники позволяют отключить сразу целый участок электрической сети (например, этаж или группу квартир). В школе рубильники устанавливают в распределительных закрытых щитах учебных мастерских, где они служат для включения электродвигателей различных станков. Рубильники бывают: одно-, двух- и трехполюсные. Рубильники а — однополюсный; б — двухполюсный;…

Часто приходится присоединять провода электрического шнура к патрону, выключателю, штепсельной розетке и к зажимам электроприборов. Для этого концы подключаемых проводов чаще всего заделывают кольцом, если их надевают на болты, иногда — тычком, когда их вставляют в специальные втулки и крепят винтами. Заделка концов проводов а — кольцом; б — тычком. При заделке кольцом концы проводов…

Если прибор не работает, то следует: включением настольной или специальной контрольной лампы проверить, исправна ли штепсельная розетка; при исправной розетке проконтролировать включением той же лампы, не повреждены ли шнур прибора и контакты штепсельной вилки. Если штепсельные розетка и вилка, а также шнур исправны, поврежден сам прибор. Прибор может не действовать, если перегорел нагревательный элемент или…

Вещества, по которым передаются электрические заряды, называют проводниками электричества. Хорошие проводники электричества — металлы, почва, растворы солей, кислот или щелочей в воде, графит. Тело человека также проводит электричество. Из металлов лучшие проводники электричества серебро, медь и алюминий, поэтому провода электрической сети чаще всего делают из меди или алюминия. Вещества, по которым заряды не передаются, называют…

www.ktovdome.ru

Понятие об электрическом токе. Закон Ома

Движение электронов по проводнику называется электрическим током. В электротехнике условно принято считать направление тока противоположным направлению движения электронов в проводнике.

Иначе говоря, направление тока принято считать совпадающим с направлением движения положительных зарядов. Электроны не проходят в своем движении всю длину проводника. Наоборот, они пробегают очень небольшие расстояния до столкновения с другими электронами, атомами или молекулами. Это расстояние называется длиной свободного пробега электронов. Электрический ток непосредственно наблюдать нельзя. О прохождении тока можно только судить по тем действиям, которые он производит. Признаки, по которым легко судить о наличии тока:

1) ток, проходя через растворы солей, щелочей, кислот, а также через расплавленные соли, разлагает их на составные части;

2) проводник, по которому проходит электрический ток, нагревается;

3) электрическийток, проходя по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя.

Ток, не изменяющийся по величине и по направлению, называется постоянным током. Постоянный электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока. Постоянный ток дают гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока, если условия работы электрической цепи не меняются.

Через поперечное сечение проводника проходит заряд за определенное время. Сила тока, прошедшего через поперечное сечение проводника в течение времени, равна: I = q/t. Отношение величины тока I к площади поперечного сечения проводника З называется плотностью тока и обозначается ?. ?= I/S; плотность тока измеряется в А/м2.

При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. Скорость движения электронов непрерывно изменяется: при столкновении электронов с атомами, молекулами и другими электронами она уменьшается, потом под действием электрического поля увеличивается и снова уменьшается при новом столкновении. В результате этого в проводнике устанавливается равномерное движение потока электронов со скоростью нескольких долей сантиметра в секунду. Следовательно, электроны, проходя по проводнику, всегда встречают с его стороны сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.

Электрическим сопротивлением R проводника называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока. R = ?·l/S, где ?-удельное сопротивление проводника, l– длина проводника.

Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению того же участка. Эта зависимость известна под названием закона Ома и выражается формулой: I = U/R. Ток проходит не только по внешней части цепи, но и по внутренней. ЭДС (E) источника идет на покрытие внутренних и внешних потерь напряжения в цепи. Закон Ома для всей цепи: I = E/(R+r), где R– сопротивление внешней части цепи, r– сопротивление внутренней части цепи.

eksdan.ru

• 
  Хранение аккумуляторных батарей
• 
  Принцип действия генератора переменного тока
• 
  Расстояние между шпалами
• 
  Принцип работы реле регулятора генератора
• 
  Экскаватор эо 3322 технические характеристики
• 
  Виды и назначение узлов
• 
  Муфта свободного хода
• 
  Мерседес вито фургон технические характеристики
• 
  Навоза разбрасыватель
• 
  Землечерпательные снаряды
• 
  Каравелла фольксваген т6 новая модель 2018 года отзывы