Урок 4. Условия существования электрического тока

И снова доброго времени суток вам, уважаемые. Без лишних прелюдий начнём наш сегодняшний разговор. Казалось бы, с причинами возникновения тока в проводнике мы давно разобрались. Поместили проводник в поле – побежали электроны, возник ток. Что еще надо. Но оказывается, чтобы этот ток существовал в проводнике постоянно, необходимо соблюдать некоторые условия. Для более ясного понимания физики процесса протекания электрического тока в проводнике рассмотрим пример.

Предположим, что у нас имеется некоторый проводник, который мы поместим в электрическое поле как показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Проводник в электрическом поле

Условно обозначим величину напряженности на концах проводника как E₁и E₂, причем E₁>E₂. Как мы выяснили ранее, свободные электроны в проводнике начнут двигаться в сторону большей напряженности поля, то есть в точку А. Однако со временем потенциал, образованный скоплением электронов в точке А станет таким, что создаваемое им собственное электромагнитное поле E₀ сравняется по модулю с внешним полем, причем направления полей будут противоположными, поскольку потенциал точки В – более положительный (недостаток электронов, вызванный воздействием внешнего поля).

Поскольку результирующее действие двух одинаковых противоположных сил равно нулю: |E|+|(E₀)|=0, электроны прекращают упорядоченное движение, электрический ток прекращается. Для того, чтобы поток электронов был непрерывный необходимо: во-первых, приложить дополнительную силу не потенциального характера, которая бы компенсировала влияние собственного электрического поля проводника и, во-вторых, создать замкнутый контур, поскольку перемещение электронов может происходить только в проводниках (ранее мы указали, что диэлектрики хоть и имеют некоторую электропроводность, но не пропускают электрический ток) и для обеспечения постоянства компенсирующей силы необходимо постоянство полей: как внешнего так и собственного.

Начнём разбираться со второго пункта. Будем рассматривать проводник, помещенный в поле, как показано на рисунке 4.2. Предположим, что после того, как взаимодействие внешнего и собственного электромагнитных полей было скомпенсировано, мы приложили дополнительно к внешнему полю еще одно такое же поле. Суммарное действие внешнего поля составит 2•|E|. Ток в проводнике продолжит течь в том же направлении, однако ровно до того момента, пока 2•|E|>|E₀|, после чего электрический ток вновь прекратиться. То есть внешнее воздействие должно увеличиваться непрерывно для обеспечения протекания тока в разомкнутом проводнике, что невозможно.
Если замкнуть проводник так, чтобы одна его часть лежала вне поля, тогда за счет работы дополнительной силы помимо внешнего поля (эта сила в таком случае должна быть не потенциальной, поскольку работа потенциальной силы в замкнутом контуре равна нулю и не зависит от формы траектории), то в проводнике возникнет электрический ток, обусловленный влиянием только внешнего поля, поскольку собственно поле проводника будет полностью скомпенсировано. Именно поэтому любая электрическая цепь всегда должна быть замкнутой.

Можно попробовать объяснить необходимость введения дополнительной силы из такого соображения: если бы мы могли заряды с конца В проводника частично перебрасывать на конец А проводника, электрический ток бы так же не прекращался. Однако, на такое «десантирование» так же требуется энергия. Значит, введение дополнительной силы всё равно необходимо. Не потенциальные силы так же называют сторонними силами. А их источники – источниками или генераторами тока.

Рисунок 4.2 – Возникновение собственного электромагнитного поля в проводнике

Так где же взять дополнительную силу, которая, притом, не должна быть создана полем, ведь без нее тока мы не получим? Оказывается, во время протекания химической восстановительно-окислительной реакции, например, взаимодействие диодксида свинца и разбавленной серной кислоты, происходит высвобождение свободных электронов:

Для того, чтобы «притянуть» все электроны, высвобожденные в процессе реакции к одной точки пространства, в раствор серной кислоты помещается несколько свинцовых решёток, называемых электродами. Одна часть электродов изготавливается из свинца и называется катод, другая – анод – изготавливается из диоксида свинца. Катод является источником свободных электродов для внешней цепи, а анод – приемником.

Приведённый пример соответствует известному всем автомобилистам (да и не только) устройству – свинцово-кислотному аккумулятору. Конечно, приведенный пример мало совпадает с тем, что происходит внутри аккумулятора в действительности, однако, суть возникновения тока отражает хорошо. Таким образом, между положительным анодом (мало электронов) и отрицательным катодом (много электронов) возникает электрическое поле, которое формирует сторонние силы и создаёт ток в проводнике. Эта сила зависит только от протекания химической реакции, то она практически постоянная до того момента, пока существуют элементы этой реакции – кислота и оксид свинца. Следовательно, если мы уберём электрическое поле и подключим проводник к аноду и катоду, электрический ток всё равно будет протекать из-за того, что аккумулятор создаёт стороннюю силу. Проводник будет иметь вокруг себя собственное электрическое поле, которое нужно преодолеть аккумулятору, чтобы перенести электрон от катода к аноду. В этом и есть суть сторонней силы.

Теперь рассмотрим ситуация с аккумулятором и подключенным к нему проводником.Электрическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда (мы говорим именно о положительных зарядах, так как направлению их движения соответствует направление тока) в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов – на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательные. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.

На рисунке 4.3 показано направление протекания тока Iв проводнике, подключенному к аккумулятору – от положительного анода к отрицательному катоду, однако внутри аккумулятора сторонние силы химической реакции производят «десантирование» электронов, пришедших из внешней цепи с анода на катод и положительных ионов с катода на анод, то есть действуют против направления движения тока и направления поля.

Рисунок 4.3 – Демонстрация сторонних сил при возникновении электрического тока

Из сделанных выше соображений можно сделать следующий вывод: силы, действующие на заряд внутри источника тока отличны от сил, действующий внутри проводника. Соответственно, необходимо эти силы отличать друг от друга. Для характеристики сторонних сил была введена величина электродвижущей силы (ЭДС) – работы, совершаемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда.Обозначается латинской буквой &#949 («эпсилон») и измеряется так же, как и разность потенциалов – в вольтах.

Поскольку разность потенциалов и ЭДС являются силами различного типа, можно говорить о том, что ЭДС вне выводов источника равно нулю. Хотя в обычной жизни этими тонкостями пренебрегают и говорят: «Напряжение на батарее 1.5В», хотя строго говоря напряжение на участке цепи – суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. В будущем мы еще будем сталкиваться с этими понятиями и они пригодятся нам при расчете сложных электрических цепей.

На этом, пожалуй всё, потому что урок получился чересчур нагруженным… Но понятия напряжение и ЭДС нужно уметь отличать.

• Для существования электрического тока необходимо два условия:
  1)замкнутая электрическая цепь;
  2)наличие источника сторонних непотенциальных сил.
• Электродвижущая сила (ЭДС) – работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда.
• Источники сторонних сил в электрической цепи называются так же источниками тока.
• Положительный вывод аккумулятора называется анод, отрицательный – катод.

Задачек на этот раз не будет, лучше лишний повторить этот урок, чтобы понимать всю физику протекания тока в проводнике. Как всегда любые возникшие вопросы, предложения и пожелания можете оставлять в комментариях ниже! До новых встреч!

← Урок 3: Закон Ома | Содержание | Урок 5: Источники питания →

Электрический ток. Условия, необходимые для возникновения электрического тока

Цели урока.

Обучающая:

формирование знаний учащихся об условиях
возникновения и существования электрического
тока.

Развивающая:

развитие логического мышления, внимания,
умений использовать полученные знания на
практике.

Воспитательная:

создание условий для проявления
самостоятельности, внимательности и самооценки.

Оборудование.

1. Гальванические элементы, аккумулятор,
   генератор, компас.
2. Карточки (прилагаются).
3. Демонстрационный материал (портреты выдающихся
   физиков Ампера, Вольта; плакаты
   “Электричество”, “Электрические заряды”).

Демонстрации:

1. Действие электрического тока в проводнике на
   магнитную стрелку.
2. Источники тока: гальванические элементы,
   аккумулятор, генератор.

План проведения урока

1. Организационный момент.

2. Вступительное слово преподавателя.

3. Подготовка к восприятию нового материала.

4. Изучение нового материала.

а) источники тока;

б) действия электрического тока;

в) физическая оперетта “Королева
Электричество”;

г) заполнение таблицы “Электрический ток”;

д) меры безопасности при работе с
электроприборами.

5. Подведение итогов урока.

6. Рефлексия.

7. Домашнее задание:

а) Опираясь на знания, полученные на уроках ОБЖ,
спецтехнологии подготовить и записать в тетради
памятку “Меры безопасности при работе с
электроприборами”

б) Индивидуальное задание: Подготовить
сообщение о применении источника тока в быту и
технике.

1. Организационный момент

Отметить наличие учащихся, назвать тему урока,
цель.

2. Вступительное слово преподавателя

Со словами электричество, электрический ток мы
знакомы с раннего детства. Электрический ток
используется в наших домах, на транспорте, на
производстве, в осветительной сети.

Но, что такое электрический ток, какова его
природа, понять нелегко.

Слово электричество произошло от слова
электрон, которое переводится с греческого языка
как янтарь. Янтарь — это окаменевшая смола
древних хвойных деревьев. Слово ток обозначает
течение или движение чего-либо.

3. Подготовка к восприятию нового материала

Вопросы вводной беседы.

— Какие два типа зарядов существуют в природе?
Как они взаимодействуют?

Ответ: В природе существуют два вида зарядов:
положительные и отрицательные.

Носителями положительного заряда являются
протоны, отрицательного электроны. Одноименно
заряженные частицы отталкиваются, разноименно
заряженные притягиваются

— Существует ли электрическое поле вокруг
электрона?

Ответ: Да, электрическое поле вокруг электрона
существует.

— Что такое свободные электроны?

Ответ: Это электроны наиболее удаленные от
ядра, они могут свободно двигаться между атомами.

4. Изучение нового материала

а) Источники тока.

На столе находятся специальные устройства. Как
они называются? Для чего они нужны?

Ответ: Это гальванические элементы,
аккумулятор, генератор — общее название
источники тока. Они необходимы для подачи
электрической энергии, создают электрическое
поле в проводнике.

Мы знаем, что существуют заряженные частицы,
электроны и протоны, знаем, что существуют
устройства, которые называются источниками тока.

Как вы считаете, что такое электрический ток?

Ответ: Электрический ток – это направленное
движение заряженных частиц.

б) Действия электрического тока.

Скажите, как мы можем понять, что в цепи
существует электрический ток, по каким
действиям?

Ответ: Электрический ток оказывает различные
виды действия:

• Тепловое – проводник по которому идет
  электрический ток нагревается (электроплита,
  утюг, лампа накаливания, паяльник).
• Химическое действие тока можно наблюдать при
  пропускании электрического тока через раствор
  медного купороса – выделение меди из раствора
  купороса, хромирование, никелирование.
• Физиологическое – сокращение мышц человека и
  животных, по которым прошел электрический ток.
• Магнитное – при прохождении электрического
  тока по проводнику, если рядом расположить
  магнитную стрелку она способна отклонится. Это
  действие является основным. Демонстрация опыта:
  аккумулятор, лампа накаливания, соединительные
  провода, компас.

в) Физическая оперетта “Королева
Электричество”. (Приложение № 1)

Теперь девушки старшего курса представят
вашему вниманию оперетту “Королева
Электричество”. Не забываем русскую народную
пословицу “Сказка ложь, да в ней намек, добрым
молодцам урок”. То есть, вы не только слушаете и
смотрите, но и берете из нее определенную
информацию. Ваша задача записать как можно
больше физических терминов, которые встречаются
в представлении.

г) Заполнение таблицы “Электрический ток”. (Приложение № 2)

Скажите, какое одно понятие объединяет все
термины, которые вы записали?

Ответ: Электрический ток.

Приступаем к заполнению таблицы
“Электрический ток”.

Заполняя таблицу, давайте, обобщим полученные
на уроке знания и получим новую информацию.

В процессе заполнения таблицы делаем вывод о
том, какие условия необходимы для создания
электрического тока.

• Первое условие — это наличие свободных
  заряженных частиц.
• Второе условие — это наличие электрического
  поля внутри проводника.

д) Меры безопасности при работе с
электроприборами.

Где, на производственной практике, вы
сталкиваетесь с применением электрического
тока? Ответы учащихся.

Главная наша задача сохранить здоровье в
течение всей жизни, скажите, а какие меры
безопасности необходимо соблюдать при работе с
электроприборами?

Ответ: При работе с электроприборами.

Запрещено.

• Ходить по земле, держа в руках включенные в сеть
  электроприборы. Особенно опасно ходить босиком
  по влажной почве.
• Входить в электрощитовые и другие
  электротехнические помещения.
• Браться за оборванные, оголенные, висящие и
  лежащие на земле провода.
• Вбивать гвозди в стену в месте, где может
  располагаться скрытая проводка. Смертельно
  опасно в этот момент заземляться на батареи
  центрального отопления, водопровод.
• Сверлить стены в местах возможной
  электропроводки.
• Красить, белить, мыть стены с наружной или
  скрытой проводкой, находящейся под напряжением.
• Работать с включенными электроприборами вблизи
  батарей или водопровода.
• Работать с электроприборами, менять лампочки,
  стоя на ванной.
• Работать с неисправными электроприборами.
• Ремонтировать необесточенные электроприборы.

5. Подведение итогов урока

— Следуя законам физики, время неумолимо
движется вперед, и наш урок подошел к своему
логическому завершению.

Давайте подведем итоги нашего занятия.

Как вы считаете, что такое электрический ток?

Ответ: Электрический ток – это направленное
движение заряженных частиц.

Какие условия необходимы для создания
электрического тока?

Ответ: Первое условие — это наличие свободных
заряженных частиц.

Второе условие — это наличие электрического
поля внутри проводника.

6. Рефлексия

Заполнение карточки. (Приложение № 3)

7. Домашнее задание

а) Опираясь на знания, полученные на уроках ОБЖ,
спецтехнологии, подготовить и записать в тетради
памятку “Меры безопасности при работе с
электроприборами”.

б) Индивидуальное задание: Подготовить
сообщение о применении источника тока в быту и
технике. (Приложение № 2)

Объяснение электрического тока — инженерное мышление

Узнайте об электрическом токе, чтобы понять его различные типы, символы, используемые для их обозначения, способы измерения тока и способы использования защитных устройств для защиты нас и наших электрических цепей.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Что такое ток?

 Ток — это поток электронов в цепи. Чтобы использовать электричество, нам нужно, чтобы электроны текли в одном направлении по цепи. Мы обычно используем медные кабели для формирования цепи, потому что медь является очень хорошим электрическим проводником, а это означает, что атомы, из которых состоит медь, имеют слабо связанный электрон в самом дальнем конце. или валентная оболочка, которая может свободно перемещаться внутри металла.

Атом

Этот свободный электрон очень легко перемещать, поэтому медь так популярна. Его так легко перемещать, что он естественным образом сам переместится к другим атомам меди. Но это происходит случайным образом во всех и во всех направлениях, что нам ни к чему. Мы обматываем медные провода резиной, потому что резина является изолятором, а значит, она не пропускает через себя свободные электроны. Это обеспечивает барьер и удерживает электричество внутри проводов и подальше от нас.

 Чтобы мы могли использовать электричество для питания наших устройств, нам нужно, чтобы много электронов текли в одном направлении по цепи. Затем мы можем поставить такие вещи, как лампы, на пути этих электронов, чтобы они проходили через них и в процессе генерировали свет и тепло. Для этого нам нужно заставить электроны двигаться, и мы можем сделать это, подав напряжение. Напряжение — это толкающая сила, это как давление в водопроводной трубе. Чем больше у нас давление, тем больше воды может течь, чем больше у нас напряжение, тем больше электронов может течь.

Мы можем измерить давление без протекания воды и мы можем измерить напряжение без протекания тока. Но мы не можем измерить, сколько воды течет, если вода не течет. И мы не можем измерить электрический ток, если не текут электроны, если мы возьмем медный провод. Между двумя концами нет разницы в напряжении, поэтому свободные электроны движутся случайным образом. Это случайное движение не считается течением. Но если мы возьмем батарею, скажем, в одну целую пять вольт и подключим провод к двум клеммам, то разница между проводами составит одну целую пять вольт.

Разница в напряжении

И эта разница заставит электроны течь в одном направлении. Мы подробно рассмотрели основы напряжения в нашей предыдущей статье. Проверьте это ЗДЕСЬ . Таким образом, нам нужно много электронов, чтобы течь по цепи и через наши лампы, чтобы заставить их светить ярко, однако кабели и лампа могут выдержать только определенное количество электронов, проходящих через них, точно так же, как труба рассчитана на выдерживание определенное количество воды, проходящей через него, или определенное давление.

Если превысить это значение, то труба просто лопнет. Точно так же, если через кабель или лампу пройдет слишком много электронов, они взорвутся или сгорят. Мы называем поток электронов током и измеряем его в амперах, хотя обычно люди говорят просто амперы. Это также обозначается заглавной буквой А.

Предохранитель

Например, этот предохранитель имеет тройку и заглавную А, что означает, что он рассчитан на ток в три ампера. Чуть позже в этой статье мы рассмотрим, как работают предохранители.

Обычный ток и поток электронов

Что-то, что вызовет у вас большое замешательство, когда вы будете изучать электричество, — это разница между обычным током и потоком электронов. Это обе теории о том, как работает электричество. Когда Бенджамин Франклин впервые экспериментировал с электричеством, у него возникла идея, что что-то должно течь внутри материалов, и ему дали стеклянную трубку. И когда его протирали тряпкой, казалось, что в нем скапливается эта странная невидимая жидкость, потому что, когда кто-то другой прикасался к трубке, они получали небольшой удар током.

Теперь мы знаем это как статическое электричество. Но в то время Бенджамин Франклин предположил, что в трубке накапливается избыточное количество этой невидимой жидкости. Поэтому он считал это положительным, а человек, прикасающийся к нему, должен иметь меньше этой жидкости, поэтому они считались отрицательными. Поэтому он сказал: «Хорошо, я думаю, этот конец положительный, а этот конец отрицательный, и электричество течет от положительного к отрицательному». И в этом есть смысл, потому что вода — это жидкость, и она течет с верхнего уровня на нижний.

Теория Бенджамина Франклина

Вскоре производители начали производить батареи на основе его работы, и поэтому они также сказали, что этот конец положительный, а этот конец отрицательный, и мы до сих пор используем это соглашение об именах. Это стало известно как обычный ток, потому что это традиционная теория того, как течет электричество. Однако по мере развития науки и уточнения экспериментов некто по имени Джозеф Томпсон обнаружил, что эта невидимая вещь, движущаяся внутри провода, была частицей, и назвал эту частицу электроном.

Джозеф Томпсон

Он также обнаружил, что эти электроны на самом деле текут в противоположном направлении от отрицательного к положительному. Бенджамин Франклин не понимал, что шелковая ткань на самом деле удаляет электроны из стекла, поэтому они на самом деле текут от человека в стеклянную трубку. Теория Джозефа Томпсона стала известна как поток электронов, потому что это поток электронов, и что на самом деле происходит, так это то, что эти электроны текут по цепи от отрицательного к положительному выводу, а не от положительного к отрицательному.

Однако на самом деле не имеет значения, что движется внутри провода и в каком направлении, потому что используемые нами электротехнические формулы этого не учитывают. Так что они все равно будут приходить с теми же ответами. Также уже немного поздно менять названия клемм всех аккумуляторов в мире. Так что все просто проигнорировали это, и мы продолжаем учить и использовать обычный ток. Некоторые книги могут показать вам и то, и другое.

Таким образом, вы должны помнить, что всякий раз, когда мы говорим об электричестве, проектируем электрическую цепь или даже смотрим на чертеж электрической цепи, мы всегда по умолчанию и предполагаем, что имеет место обычный ток. Но инженеры и ученые знают, что электроны на самом деле текут в другую сторону.

Электричество переменного и постоянного тока

 Если вы посмотрите на вилки своих электрических устройств, вы должны найти этикетки производителей, которые сообщают вам, для чего предназначен продукт. Например, это зарядное устройство для ноутбука говорит нам, что для работы устройства требуется входное напряжение от 100 до 240 вольт и 1,5 ампера переменного или переменного тока, что здесь представлено этим символом.

Этикетка производителя

Затем зарядное устройство преобразует это значение в выходной сигнал около 190,5 вольта и 3,33 ампера постоянного или постоянного тока, который представлен этим символом.

Переменный и постоянный ток — это разные виды электричества, розетки в ваших домах обеспечивают переменный или переменный ток. В этом типе электроны не текут в непрерывной петле. Вместо этого они чередуют движение вперед и назад, точно так же, как морской прилив. Ваши электрические устройства, такие как ноутбуки и мобильные телефоны, будут использовать электричество постоянного тока.

В этом типе электроны текут только в одном направлении – прямо от одного терминала к другому. Вы можете думать об этом как о течении воды в реке. В большинстве случаев мы транспортируем электроэнергию от электростанции в города, используя электричество переменного тока, потому что легко увеличивать и уменьшать напряжение с помощью трансформаторов. И также очень эффективно транспортировать электроэнергию на большие расстояния, используя этот метод. Тем не менее, используется несколько высоковольтных линий передачи постоянного тока, но мы не будем подробно останавливаться на них.

В основном мы используем постоянный ток постоянного тока для печатных плат небольших электронных устройств, таких как ноутбуки, мобильные телефоны и телевизоры. Это связано с тем, что постоянным током легче управлять и он позволяет схемам быть меньше и компактнее, поэтому многие устройства будут использовать комбинацию переменного и постоянного тока. Например, стиральная машина будет использовать переменный ток для асинхронного двигателя, который используется для вращения бака с одеждой. Но печатная плата, которая управляет настройками, освещением, таймерами, а также скоростью вращения двигателя , будет использовать питание постоянного тока.

Мы можем преобразовать переменный ток в постоянный с помощью устройства, известного как выпрямитель. Это очень распространено в электронике. Мы также можем преобразовать постоянный ток в переменный с помощью инвертора, и это используется, например, в системах солнечной энергии. Ранее мы подробно рассмотрели силовые инверторы. Проверьте это ЗДЕСЬ.

Люди часто называют реку или морской прилив сильным течением. Это очень похоже на электричество.

Говорят, что река с большим течением воды имеет сильное течение, такое же, как и электричество. Кабель с большим количеством электронов также имеет большой ток. Река способна обрабатывать определенное количество воды, протекающей через нее. Но если войдет больше воды, чем она может выдержать, река выйдет из берегов. То же и с электричеством, кабель лопнет и сгорит. Поэтому производители должны иметь возможность тестировать кабели и лампы, чтобы выяснить, какой ток они могут выдержать.

Мы также хотим иметь возможность видеть, какой ток протекает по нашим цепям, а также иметь возможность рассчитать это, мы можем измерить это с помощью амперметра, и мы измеряем ток в амперах. Но вы обычно слышите, как люди просто сокращают это до ампер. Итак, что такое усилитель? Один ампер равен одному кулону в секунду, а один кулон равен примерно шести квинтиллионам, 242 квадриллионам электронов в секунду. Хорошо, но что это значит?

Другой способ взглянуть на это так: для питания этой 1,5-ваттной лампы от 1,5-вольтовой батареи требуется ток в один ампер. Это означает, что для схемы требуется один кулон в секунду, что означает, что примерно шесть квинтиллионов 242 квадриллиона электронов должны течь от батареи и через лампу каждую секунду, чтобы лампа оставалась включенной. Но, как видите, не очень практично говорить, сколько электронов течет в секунду. Поэтому инженеры просто говорят усилители, чтобы сэкономить время. Яркость лампы зависит от напряжения.

По мере того, как мы уменьшаем напряжение, уменьшается давление, толкающее электроны, поэтому течет меньше электронов. По мере увеличения напряжения течет больше электронов, и лампа светит ярче. Но не забывайте, при определенном напряжении и токе лампа перегорит. Чтобы измерить силу тока в цепи, нам нужно последовательно подключить амперметр так, чтобы через него протекал ток. Думайте об этом как о счетчике воды. Вода в трубе должна проходить через водомер, чтобы мы знали, сколько воды течет.

Точно так же нам нужно, чтобы электроны проходили через наш амперметр, вместо использования амперметра мы собираемся использовать мультиметр, так как с этим устройством мы можем сделать гораздо больше. Я настоятельно рекомендую вам приобрести один из них для вашего набора инструментов. Они являются важным инструментом для любого инженера-электрика.

Если мы соединим эту батарейку на 1,5 вольта и эту лампу, которая имеет сопротивление один Ом, то мы получим показание тока 1,5 ампера.

Это означает, что каждую секунду через линию проходит девять квинтиллионов 636 квадриллионов электронов. Поскольку компоненты этой цепи соединены последовательно, ток везде одинаков, поэтому мы можем проводить измерения в любом месте, и его значение будет одинаковым. Если мы добавим в цепь еще одну лампу, снова соединенную последовательно, и лампа также будет иметь сопротивление в один Ом, то мы добавим в цепь большее сопротивление. Так что теперь электронам труднее протекать. И так мы видим снижение тока. В этом случае мы получаем показание 0,75 ампер, что означает, что текут четыре квинтиллиона 818 квадриллионов электронов.

Эта цепь включена последовательно. Итак, опять же, мы можем переместить мультиметр, и мы получим то же самое показание. Если теперь соединить цепь с двумя лампами параллельно, обе сопротивлением один Ом и подключить эту цепь к аккумулятору на 1,5 вольта, то в основном проводе от аккумулятора и к аккумулятору мы получим три ампера.

Но на ответвлении каждой лампы мы получаем 1,5 ампера, потому что путь электрона разделяется. Таким образом, они распределяются между двумя лампами. Затем путь снова сливается. Таким образом, мы получаем общий ток цепи 3 ампера, потому что обе лампы имеют одинаковое сопротивление, они имеют одинаковый ток. Но, например, если А имеет сопротивление один Ом, а тот В имеет сопротивление три Ома, то в основном проводе мы получаем амперное показание в два ампера. В ветке для лампы А мы получаем 1,5 ампера, а в ветке для лампы В получаем 0,5 ампера.

Обратите внимание, что лампа B тусклее. Это потому, что сопротивление выше, что затрудняет прохождение электронов. В обоих случаях ампер и ответвления складываются и равны общему току, протекающему по основному проводу к батарее и от нее. Следовательно, мы можем добавить резисторы в наши схемы, чтобы ограничить ток, который может протекать.

Резисторы

Резисторы затрудняют прохождение электронов по цепи, поэтому мы добавляем резисторы в цепи, потому что они уменьшают ток, это похоже на изгиб трубы.

Это добавит сопротивление потоку воды, что уменьшит количество воды, которое может пройти. И поскольку вода сталкивается со стенкой трубы, она теряет энергию. Таким образом, мы получаем падение давления. То же самое с резистором. Материал затрудняет прохождение электронов. Электроны будут сталкиваться и терять энергию, поэтому мы получим падение напряжения. Эта потраченная впустую энергия должна куда-то идти, поэтому она уходит в виде тепла.

Если мы посмотрим на резистор через тепловизионную камеру, то увидим, что тепло уходит. Например, этот светодиод рассчитан на максимальный ток 22 миллиампер или 0,022 ампер. Мы хотим подключить это к источнику питания на девять вольт. Если мы используем резистор 100 Ом, то ток будет 0,09ампер, что слишком много. И светодиод сгорит. Если мы используем резистор 450 Ом, то ток составит 0,02 ампера, что ниже предела.

Так что все должно быть в порядке. Если мы используем резистор 900 Ом, то ток составит 0,01 А, что слишком мало, поэтому светодиод не будет ярко светить.

Плавкие предохранители

Плавкие предохранители, в основном, состоят из тонкого куска проволоки внутри, который рассчитан на то, чтобы выдерживать определенное количество тока, протекающего через них. В данном случае этот рассчитан на три ампера или 19квинтиллион 272 квадриллиона электронов в секунду. Если в цепи протекает слишком большой ток, то предохранитель сгорит, и это разомкнет или разорвет цепь для защиты дорогих электрических компонентов, предохранитель действует как слабое место, и его очень дешево заменить.

Таким образом, вы можете найти их смонтированными на печатных платах. А в Великобритании вилки часто имеют встроенный предохранитель для дополнительной безопасности.

Автоматические выключатели

 Мы находим автоматические выключатели в наших электрических щитах в наших домах и на рабочих местах, автоматические выключатели, по сути, представляют собой переключатель, который автоматически размыкается, чтобы разорвать цепь, если через нее проходит слишком много электронов либо при перегрузке, либо при коротком замыкании. сценарий.

Защита от перегрузки

При использовании функции перегрузки, если мы будем медленно увеличивать нагрузку в цепи, мы в конечном итоге превысим номинальные параметры выключателя, и он сработает, чтобы отключить питание и защитить цепь.

Это известно как защита от перегрузки. Еще одной особенностью большинства современных автоматических выключателей является защита от короткого замыкания. В этом случае, если по какой-то причине плюсовой и минусовой провода соприкасаются напрямую, то мы видим очень большой и мгновенный всплеск тока, потому что сопротивления нет. Автоматический выключатель обнаружит этот мгновенный скачок тока и отключит питание, чтобы разрезать цепь.

GFCI и RCD

 В Северной Америке мы находим другое устройство, называемое GFCI или прерывателем цепи замыкания на землю. В Европе это называется УЗО или устройством защитного отключения.

Они в основном контролируют и сравнивают ток в подающем и обратном проводах с цепью. Если возвращающийся ток не равен подводимому току, то электричество нашло другой путь и покидает цепь. Он может проходить через человека, поэтому устройство отключает питание. Это происходит очень быстро и с очень небольшим допуском, чтобы защитить нас от поражения электрическим током.

Электричество – Управление энергетической информации США (EIA)

• Основы
• +Меню

Все состоит из атомов

Чтобы понять электричество, полезно знать некоторые основные сведения об атомах. Атомы являются строительными блоками Вселенной. Все во Вселенной состоит из атомов — каждая звезда, каждое дерево и каждое животное. Человеческое тело состоит из атомов. Воздух и вода тоже состоят из атомов. Атомы настолько малы, что миллионы из них поместились бы на булавочной головке.

Атомы состоят из еще более мелких частиц

Центр атома называется ядром . Ядро состоит из частиц, называемых протонов и нейтронов . Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках . Если бы ядро ​​было размером с теннисный мяч, атом был бы размером со сферу диаметром около 1450 футов, или размером с один из крупнейших спортивных стадионов в мире. Атомы в основном пустое пространство.

Если бы невооруженным глазом можно было увидеть атом, он немного напоминал бы крохотное скопление шаров, окруженных гигантскими невидимыми пузырями (или оболочками ). Электроны будут находиться на поверхности пузырьков, постоянно вращаясь и двигаясь, чтобы оставаться как можно дальше друг от друга. Электроны удерживаются в своих оболочках электрическими силами.

Протоны и электроны атома притягиваются друг к другу. Они оба несут электрический заряд . Протоны имеют положительный заряд (+), а электроны имеют отрицательный заряд (-). Положительный заряд протонов равен отрицательному заряду электронов. Противоположные заряды притягиваются друг к другу. Атом находится в равновесии, когда он имеет равное количество протонов и электронов. Нейтроны не несут заряда, и их количество может варьироваться.

Количество протонов в атоме определяет вид атома, или элемент , это. Элемент – это вещество, состоящее из атомов одного типа. Периодическая таблица элементов показывает элементы с их атомными номерами — количеством протонов, которые они имеют. Например, каждый атом водорода (Н) имеет один протон, а каждый атом углерода (С) имеет шесть протонов.

Электричество — это движение электронов между атомами

Электроны обычно остаются на постоянном расстоянии от ядра атома в точных оболочках. Ближайшая к ядру оболочка может содержать два электрона. Следующий снаряд может вместить до восьми. Внешние оболочки могут вместить еще больше. Некоторые атомы с большим количеством протонов могут иметь до семи оболочек с электронами.

Электроны в ближайших к ядру оболочках обладают сильной силой притяжения к протонам. Иногда электроны в самых внешних оболочках атома не имеют сильной силы притяжения к протонам. Эти электроны могут быть вытолкнуты со своих орбит. Приложение силы может заставить их смещаться от одного атома к другому. Эти движущиеся электроны и есть электричество.

Статическое электричество существует в природе

Молния — это форма электричества. Молния — это электроны, перемещающиеся из одного облака в другое, или электроны, прыгающие из облака на землю. Испытывали ли вы когда-нибудь шок, когда касались предмета после прогулки по ковру? От этого объекта к вам прыгнул поток электронов. это называется статическое электричество .

Вы когда-нибудь заставляли волосы стоять прямо, потирая их воздушным шариком? Если да, то вы стерли часть электронов с воздушного шара.