2. При каких условиях возникает электрический ток?
Электрический ток возникает, если имеются свободные заряды, а так же в результате действия внешнего электрического поля. Для получения электрического поля достаточно создать разность потенциалов между какими-то двумя точками проводника.3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?
Если отсутствует внешнее электрическое поле, то отсутствует и дополнительная составляющая скорости направленная вдоль напряженности электрического поля, а значит, все направления движения частиц равноправны.4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?
В отсутствии электрического поля движение заряженных частиц хаотично, а при его наличии - движение частиц это результат хаотичного и поступательного движений.5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?
За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике электроны движутся в сторону, противоположную направлению тока.В учебнике физики есть определение:
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля. Частицами могут быть: электроны, протоны, ионы, дырки.
В академических учебниках определение описывается так:
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это скорость изменения электрического заряда во времени.
- Заряд электронов отрицателен.
- протоны — частицы с положительным зарядом;
- нейтроны — с нейтральным зарядом.
СИЛА ТОКА – это количество заряженных частиц (электроны, протоны, ионы, дырки), протекающих через поперечное сечение проводника.
Все физические вещества, в том числе металлы состоят из молекул, состоящих из атомов, которые в свою очередь состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. Во время химических реакций электроны переходят от одних атомов к другим, поэтому, атомы одного вещества испытывают недостаток в электронах, а атомы другого вещества имеют их избыток. Это означает, что вещества имеют разноименные заряды. В случае их контакта, электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое. Именно это перемещение электронов и есть ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК . Ток, который будет течь, до тех пор, пока заряды этих двух веществ не уравняются. Взамен ушедшего электрона приходит другой. Откуда? От соседнего атома, к нему — от его соседа, так до крайнего, к крайнему — от отрицательного полюса источника тока (например — батарейки). С другого конца проводника электроны уходят на положительный полюс источника тока. Когда все электроны на отрицательном полюсе закончатся, ток прекратится (батарея «села»).
— это характеристика электрического поля и представляет собой разность потенциалов двух точек внутри электрического поля.
Вроде как то не понятно. Проводник – это в простейшем случае — проволока, сделанная из металла (чаще применяется медь и алюминий). Масса электрона равна 9,10938215(45)×10 -31 кг . Если электрон имеет массу, то это означает, что он материален. Но проводник сделан из металла, а металл то, твёрдый, как по нему текут какие то, электроны?
Число электронов в веществе, равное числу протонов лишь обеспечивает его нейтральность, а сам химический элемент определяется количеством протонов и нейтронов исходя из периодического закона Менделеева. Если чисто теоретически отнять от массы любого химического элемента все его электроны, он практически не приблизится к массе ближайшего химического элемента. Слишком большая разница между массами электрона и ядра (масса только 1-го протона примерно в 1836 больше массы электрона). А уменьшение или увеличение числа электронов должно приводить лишь к изменению общего заряда атома. Число электронов у отдельно взятого атома всегда переменно. Они, то покидают его, вследствие теплового движения, то возвращаются обратно, потеряв энергию.
Если электроны движутся направленно, значит, они «покидают» свой атом, а не будет теряться атомарная масса и как следствие, меняться и химический состав проводника? Нет. Химический элемент определяется не атомарной массой, а количеством ПРОТОНОВ в ядре атома , и ничем другим. При этом наличие или отсутствие электронов или нейтронов у атома роли не играет. Добавим — убавим электроны — получим ион, добавим — убавим нейтроны — получим изотоп. При этом химический элемент останется тем же.
С протонами другая история: один протон — это водород, два протона — это гелий, три протона — литий и.т.д (см. таблицу Менделеева). Поэтому, сколько ни пропускай ток через проводник, химический состав его не изменится.
Другое дело электролиты. Здесь как раз ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕНЯЕТСЯ. Из раствора под действием тока выделяются элементы электролита. Когда все выделятся, ток прекратится. Всё потому, что носители заряда в электролитах — ионы.
Бывают химические элементы без электронов :
1. Атомарный космический водород.
2. Газы в верхних слоях атмосферы Земли и других планет с атмосферой.
2. Все вещества в состоянии плазмы.
3. В ускорителях, коллайдерах.
Под действием электрического тока химические вещества (проводники) могут «рассыпаться». Например, плавкий предохранитель. Движущиеся электроны на своем пути расталкивают атомы, если ток сильный — кристаллическая решетка проводника разрушается и проводник расплавляется.
Рассмотрим работу электровакуумных приборов.
Напомню, что во время действия электрического тока в обычном проводнике, электрон, покидая своё место, оставляет там «дырку», которая затем заполняется электроном от другого атома, где в свою очередь так же образуется дырка, в последствии заполняемая другим электроном. Весь процесс движения электронов происходит в одну сторону, а движение «дыр», в противоположную. То есть дырка – явление временное, она заполняется всё равно. Заполнение необходимо для сохранения равновесия заряда в атоме.
А теперь рассмотрим работу электровакуумного прибора. Для примера возьмём простейший диод – кенотрон. Электроны в диоде во время действия электрического тока испускаются катодом в направлении анода. Катод покрыт специальными окислами металлов, которые облегчают выход электронов из катода в вакуум (малая работа выхода). Никакого запаса электронов в этой тоненькой пленке нет. Для обеспечения выхода электронов катод сильно разогревают нитью накала. Со временем раскаленная пленка испаряется, оседает на стенках колбы, и эмиссионная способность катода уменьшается. И такой электронно-вакуумный прибор попросту выкидывают. А если прибор дорогой, его восстанавливают. Для его восстановления колбу распаивают, заменяют катод на новый, после чего колбу обратно запаивают.
Электроны в проводнике двигаются «перенося на себе» электрический ток, а катод пополняется электронами от проводника, подключенного к катоду. На замену электронам, покинувшим катод, приходят электроны от источника тока.
Понятие «скорость движения электрического тока» не существует. Со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), по проводнику распространяется электрическое поле, под действием которого все электроны начинают движение с малой скоростью, которая приблизительно равна 0,007 мм/с, не забывая ещё и хаотически метаться в тепловом движении.
Давайте теперь разберёмся в основных характеристиках тока
Представим картину: У вас имеется стандартная картонная коробка с горячительным напитком на 12 бутылок. А вы пытаетесь засунуть туда ещё бутылку. Предположим вам это удалось, но коробка едва выдержала. Вы засовываете туда ещё одну, и вдруг коробка рвётся и бутылки вываливаются.
Коробку с бутылками можно сравнить с поперечным сечением проводника:
Чем шире коробка (толще провод), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА), она может в себя поместить (обеспечить).
В коробке (в проводнике) можно поместить от одной до 12 бутылок – она не развалится (проводник не сгорит), а большее число бутылок (большую силу тока) она не вмещает (представляет сопротивление).
Если сверху на коробку, мы поставим ещё одну коробку, то на одной единице площади (сечении проводника) мы разместим не 12, а 24 бутылки, ещё одну сверху — 36 бутылок. Одну из коробок (один этаж) можно принять за единицу аналогичную НАПРЯЖЕНИЮ электрического тока.
Чем шире коробка (меньше сопротивление), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА) она может обеспечить.
Увеличив высоту коробок (напряжение), мы можем увеличить общее количество бутылок (МОЩНОСТЬ) без разрушения коробок (проводника).
По нашей аналогии получилось:
Общее количество бутылок это — МОЩНОСТЬ
Количество бутылок в одной коробке (слое) это — СИЛА ТОКА
Количество ящиков в высоту (этажей) это — НАПРЯЖЕНИЕ
Ширина коробки (вместимость) это — СОПРОТИВЛЕНИЕ участка электрической цепи
Путём перечисленных аналогий, мы пришли к «ЗАКОНУ ОМА «, который ещё называется Законом Ома для участка цепи. Изобразим его в виде формулы:
где I – сила тока, U R – сопротивление.
По-простому, это звучит так: Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению .
Кроме того, мы пришли и к «ЗАКОНУ ВАТТА «. Так же изобразим его в виде формулы:
где I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов), Р – мощность.
По-простому, это звучит так: Мощность равна произведению силы тока на напряжение .
Сила электрического тока измеряется прибором называемым Амперметром. Как вы догадались, величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Для увеличения диапазона обозначений единицы изменения существуют такие приставки кратности как микро — микроампер (мкА), мили – миллиампер (мА). Другие приставки в повседневном обиходе не используются. Например: Говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в обычной жизни не реальны. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10 -9 Ампер.
Электрическое напряжение (электрический потенциал) измеряется прибором называемым Вольтметром, как вы догадались, напряжение, т. е. разность потенциалов, которая заставляет течь ток, измеряется в Вольтах (В). Так же, как для тока, для увеличения диапазона обозначений, существуют кратные приставки: (микро — микровольт (мкВ), мили – милливольт (мВ), кило – киловольт (кВ), мега – мегавольт (МВ). Напряжение ещё называют ЭДС – электродвижущей силой.
Электрическое сопротивление измеряется прибором называемым Омметром, как вы догадались, единица измерения сопротивления – Ом (Ом). Так же, как для тока и напряжения, существуют приставки кратности: кило – килоом (кОм), мега – мегаом (МОм). Другие значения в обычной жизни не реальны.
Ранее, Вы узнали, что сопротивление проводника напрямую зависит от диаметра проводника. К этому можно добавить, что если к тонкому проводнику приложить большой электрический ток, то он будет не способен его пропустить, из-за чего будет сильно греться и, в конце концов, может расплавиться. На этом принципе основана работа плавких предохранителей.
Атомы любого вещества располагаются на некотором расстоянии друг от друга. В металлах расстояния между атомами настолько малы, что электронные оболочки практически соприкасаются. Это дает возможность электронам свободно блуждать от ядра к ядру, создавая при этом электрический ток, поэтому металлы, а также некоторые другие вещества являются ПРОВОДНИКАМИ электричества. Другие вещества – наоборот, имеют далеко расставленные атомы, электроны, прочно связанные с ядром, которые не могут свободно перемещаться. Такие вещества не являются проводниками и их принято называть ДИЭЛЕКТРИКАМИ, самым известным из которых является резина. Это и есть ответ на вопрос, почему электрические провода делают из металла.
О наличии электрического тока говорят следующие действия или явления, которые его сопровождают:
;1. Проводник, по которому течет ток, может нагреваться;
2. Электрический ток может изменять химический состав проводника;
3. Ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела.
При отделении электронов от ядер освобождается некоторое количество энергии, которое нагревает проводник. «Нагревательную» способность тока принято называть рассеиваемой мощностью и измерять в ваттах. Такой же единицей принято измерять и механическую энергию, преобразованную из электрической энергии.
Опасность электрического тока и другие опасные свойства электричества и техника безопасности
Электрический ток нагревает проводник, по которому течёт. Поэтому:
1. Если бытовая электрическая сеть испытывает перегрузку, изоляция постепенно обугливается и осыпается. Возникает возможность короткого замыкания, которое очень опасно.
2. Электрический ток, протекая по проводам и бытовым приборам, встречает сопротивление, поэтому «выбирает» путь с наименьшим сопротивлением.
3. Если происходит короткое замыкание, сила тока резко возрастает. При этом выделяется большое количество тепла, способное расплавить металл.
4. Короткое замыкание может произойти и из-за влаги. Если в случае с коротким замыканием происходит пожар, то в случае с воздействием влаги на электроприборы в первую очередь страдает человек.
5. Удар электричеством очень опасен, вероятен смертельный исход. При протекании электрического тока через организм человека, сопротивление тканей резко уменьшается. В организме происходят процессы нагревания тканей, разрушения клеток, отмирания нервных окончаний.
Как обезопасить себя от поражения электрическим током
Чтобы обезопасить себя от воздействия электрического тока, используют средства защиты от поражения электрическим током : работают в резиновых перчатках, используют резиновый коврик, разрядные штанги, устройства заземления аппаратуры, рабочих мест. Автоматические выключатели с тепловой защитой и защитой по току, так же являются не плохим средством защиты от поражения током, способным сохранить жизнь человека. Когда я не уверен в отсутствии опасности поражения электрическим током, при выполнении не сложных операций в электрощитовых, блоках аппаратуры, я как правило работаю одной рукой, а другую руку ложу в карман. Тем самым исключается возможность поражения током по пути рука-рука, в случае случайного прикосновения к корпусу щита, или другим массивным заземлённым предметам.
Для тушения пожара, возникшего на электрооборудовании используют только порошковые или углекислотные огнетушители. Порошковые тушат лучше, но после засыпания аппаратуры пылью из огнетушителя, эту аппаратуру не всегда возможно восстановить.
Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах - электроны, в электролитах - ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках - электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.
Электрический ток имеет следующие проявления:
- нагревание проводников (в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты);
- изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
- создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).
Классификация:
Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционный ток.
Различают переменный (англ. alternating current, AC), постоянный (англ. direct current, DC) и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.
Постоянный ток - ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.
Переменный ток - ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
Квазистационарный ток - «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
Переменный ток высокой частоты - ток, в котором условие квазистационарности уже не выполняется, ток проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.
Пульсирующий ток - ток, у которого изменяется только величина, а направление остаётся постоянным.
Вихревые токи (токи Фуко) - «замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.
Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.
Характеристики:
Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.
Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.
Основные типы проводников:
В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).
Металлы - здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.
Плазма - ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.
Электролиты - «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.
В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током . За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q , переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t , к этому интервалу времени:
Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным . Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.
Находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):
Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I 1 до значения I 2 , то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:
Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:
При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:
где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.
Сопротивление проводника зависит и от его температуры:
где: R 0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.
Диод в цепи постоянного тока
Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:
Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.
Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников
Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I , текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R , пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Величину R принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи : сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно . У каждого способа есть свои закономерности.
1. Закономерности последовательного соединения:
Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R , то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
2. Закономерности параллельного соединения:
Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R , то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
Электроизмерительные приборы
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры .
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R B . Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R A . В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы A ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС) :
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:
Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).
Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника ):
Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.
Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания :
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r . У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
Несколько источников ЭДС в цепи
Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно , то:
1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:
Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.
2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:
В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.
При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:
В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
Работа A электрического тока I , протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R , преобразуется в теплоту Q , выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца . Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt , за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:
Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).
Энергобаланс замкнутой цепи
Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R . В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:
Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:
Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R 1 и R 2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:
Мощность потерь или мощность внутри источника тока:
Полная мощность, развиваемая источником тока:
КПД источника тока:
Электролиз
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза .
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду ), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду ). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией .
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q , прошедшему через электролит:
Величину k называют электрохимическим эквивалентом . Он может быть рассчитан по формуле:
где: n – валентность вещества, N A – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:
Электрический ток в газах и в вакууме
Электрический ток в газах
В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов - электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов .
Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием - ионизатором . Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α -частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов - электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).
Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.
Электрический ток в вакууме
Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.
Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.
- Назад
- Вперёд
Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?
Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:
- Изучить все темы и выполнить все тесты и задания приведенные в учебных материалах на этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.
- Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике . На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.
- Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.
Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.
Нашли ошибку?
Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.
Статическое электричество.
Если желтый янтарь потереть шерстью или мехом, то янтарь приобретает свойство длительное время притягивать,к себе волосы, листья, соломинки. Способность янтаря,притягивать к себе другие вещества вызывается его зарядом. Под зарядом тел подразумевают электрический заряд. При определенных условиях заряд сохраняется на заряженных телах, поэтому его называют статическим электричеством.
Величины количества электричества заряженных тел и расстояния между ними оказывают влияние на их взаимодействие. Правила, которым подчиняются тела при взаимодействии, называют законом Кулона. Он формулируется так: сила, действующая между двумя заряженными телами, прямо пропорциональна количеству электричества на каждом из тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.
Электрически заряженные тела, находясь на расстоянии друг от друга, испытывают действие определенной силы. Пространство, в котором действуют эти силы, называют электрическим силовым полем. Внутри электрического поля силы действуют в определенном направлении. Линии, по которым действуют электрические силы поля, называют силовыми. За их направление в любой точке поля принято направление, в котором будет двигаться в этом поле положительный заряд. Следовательно, электрическое поле изолированного отрицательного заряда направлено к заряду (рис. 1), а линии сил, действующих между положительным и отрицательным зарядами, направлены в сторону отрицательного заряда. Силовые линии одноименных зарядов отталкиваются друг от друга (рис. 2).
Рис. 1
Рис. 2
Электрический ток и направление движения электронов. При изучении законов электрического тока сначала было предположено, что электрический ток направлен от положительно к отрицательно заряженным телам. С помощью более поздних исследований было установлено, что электроны переходят от отрицательно заряженных к положительно заряженным или нейтральным телам.
Однако укоренилось первое положение, которое легло в основу всех электрических измерений и в электротехническую практику. Но, несмотря на это, в современных условиях действует правило, которое определяет электрический ток как поток электронов, направленный от минуса к плюсу.
Электрический потенциал. Действующие на тела силы стремятся привести их в такое положение, в котором потенциальная энергия тел будет наименьшей (например, пролитая вода стекает в самые низкие места, пар движется в трубе из точки с меньшей к точке с большей потенциальной энергией). Для сообщения потенциальной энергии воде ее можно поднять на некоторую высоту. Эти положения распространяются и на электрический ток.
Электрический потенциал можно создать, отняв или добавив к нейтральному телу электроны. В первом случае тело приобретает положительный заряд, т. е. потенциал тела возрастает (совершена работа по удалению электрона), во втором - отрицательный заряд и потенциал его будет отрицательным. Электричество перетекает от более высокого к более низкому потенциалу.
Разрядить тело от электрического заряда можно путем соединения его с землей, т. е. заземления тела. Электрические заряды тела вследствие их взаимного отталкивания стремятся равномерно распределиться на заряженном теле и земле. Однако вследствие того что земля несравнимо больше заряженного тела, все заряды с него уйдут в землю и тело станет нейтральным, т. е. электрически безопасным.
Электрическая цепь постоянного тока. Электрический ток, значение которого не изменяется во времени, называют постоянным. Источник электрического тока с присоединенными к нему линейными проводами и потребителем тока образуют замкнутую электрическую цепь, по которой протекает электрический ток. Простейшая электрическая цепь имеет источник и потребитель электрического тока и два соединяющих их линейных провода (рис. 3). В качестве источников постоянного электрического тока применяют аккумуляторы, генераторы - электрические машины, приводимые в движение механическими двигателями, гальванические элементы и ряд других устройств. Потребителями электрического тока могут быть электронагревательные приборы, сварочная дуга, осветительные лампочки и т.д.
Рис. 3
Конденсаторы. При одном и том же давлении в сосуде большего объема можно вместить большее количество газа. Некоторую аналогию можно пронести и с электрическим зарядом. Чем больше размеры проводника, тем больше его вместимость для электрических зарядов, т. е. больше его электрическая емкость.
Одиночные проводники обладают малой емкостью. Поэтому для образования запаса электрических зарядов применяют конденсаторы. Конденсатором называют устройство, которое при сравнительно малых размерах способно накапливать большие электрические заряды. В простейшем виде конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком (воздухом, слюдой, парафинированной бумагой и т.п.). В зависимости от вида диэлектрика конденсатор называют воздушным, бумажным, слюдяным и т.п. Одна пластина конденсатора заряжается положительными зарядами, а другая - отрицательными. Сильное взаимное притяжение удерживает заряды, позволяя накопить в конденсаторе большое количество зарядов.
Емкость конденсатора зависит от площади его пластин. Конденсатор, у которого пластины имеют большую площадь, может вместить большее количество зарядов.
Основной единицей измерения электрической емкости служит фарада (ф). На практике применяют более мелкие единицы: микрофарада (1 мкф = 0,000 001 ф ), пикофарада (1 пф = 0,000 001 мкф ).
В технике конденсаторы используют в различных электрических и радиосхемах.
Электродвижущая сила источника тока. Напряжение. Если соединить трубкой два сосуда с различными уровнями воды, то вода будет переходить в сосуд с меньшим уровнем. Наливая воду в один из сосудов, можно добиться того, чтобы вода по трубке текла непрерывно. Аналогичная картина наблюдается в электрической цепи. На время прохождения электрического тока в цепи на полюсах источника тока необходимо поддерживать разность потенциалов.
Силу, которая поддерживает разность потенциалов, обеспечивая прохождение тока по электрической цепи, называют электродвижущей силой и условно обозначают э. д.с. Разность потенциалов, затрачиваемую на проведение тока через электрическую цепь, называют напряжением между концами электрической цели.
Напряжение создается источником тока. При разомкнутой цепи напряжение существует на полюсах или клеммах источника тока. Когда источник тока включен в цепь, напряжение появляется и на отдельных участках цепи, что и обусловливает ток в цепи. Нет напряжения, нет и тока в цепи.
Электрическое сопротивление. При возникновении в цепи электрического тока свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. Движению электронов препятствуют атомы и молекулы проводников, встречающихся на пути, т. е. электрическая цепь оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Электрическим сопротивлением проводника называют свойство тела или среды превратить электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.
Различные вещества имеют разное количество электронов и разное расположение атомов. Поэтому сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен. Хорошими проводниками является серебро , медь , . Большим сопротивлением обладают , железо , уголь . Наряду с этим сопротивление зависит от длины и площади поперечного сечения проводника. Чем длиннее проводник при одном и том же поперечном сечении, тем большим обладает он сопротивлением, и наоборот: чем больше сечение проводника при одной и той же длине, тем меньше его сопротивление.
Нагрев увеличивает сопротивление большинства металлов и сплавов. Для чистых металлов это увеличение составляет около 4% на каждые 10° повышения температуры. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин , константан и др.) почти не меняют своего сопротивления с увеличением температуры.
Реостаты. Приборы, при помощи которых, меняя сопротивление, можно регулировать силу тока в цепи, называют реостатами. Реостаты бывают нескольких видов, например: реостат со скользящим контактом, рычажный реостат, ламповый и др.
Рис. 4
Реостат со скользящим контактом устроен следующим образом (рис. 4). Проволока из металла с высоким удельным сопротивлением намотана на цилиндр, сделанный из изолятора, к концам проволоки прикреплены клеммы для включения реостата в цепь. Сверху цилиндра на металлическом стержне прикреплен ползун, плотно касающийся витков проволоки. Реостат включают в цепь при помощи одной из клемм на проволоке реостата и клеммы на металлическом стержне ползуна. Передвигая ползун в ту или другую сторону, увеличивают или уменьшают длину включенной проволоки и тем самым изменяют сопротивление цепи.
Реостат рычажного типа, состоит из ряда проволочных спиралей, укрепленных на раме из изолятора. На одной стороне рамы концы спиралей соединены с рядом металлических контактов. Металлическая ручка, вращаясь вокруг оси, может плотно прижиматься к тому или другому контакту. В зависимости от положения ручки в цепь может включаться различное количество спиралей.
Измерение тока, напряжения и сопротивления. Опыты показывают, чем большее количество электричества протекает по проводнику в одно и то же время, тем сильнее действие тока. Поэтому электрический ток определяется количеством электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Количество электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в 1 сек , называют силой электрического тока. За единицу силы тока принят 1 а , т. е. сила такого тока, при котором в 1 сек через поперечное сечение проводника проходит 1 кулон электричества. Ампер обозначается буквой а . Единица силы тока ампер названа так в честь французского ученого Ампера.
Английский физик Фарадей, изучая явление прохождения тока через жидкие проводники, установил, что весовое количество выделяющихся при этом веществ на электродах прямо пропорционально количеству прошедшего через раствор электричества. На основании этого была установлена единица количества электричества.
За единицу количества электричества принято такое количество электричества, при прохождении которого через раствор серебряной соли выделяется на электроде 1,118 мг серебра . Эта единица называется куланом.
Исходя из определения электрического тока можно определить его силу по формуле
I - сила тока в цепи;
Q - количество электричества, протекающего >в цени, в кулонах;
Т - время прохождения электричества в цепи в сек.
В технике имеется еще и такое понятие, как плотность тока.
Плотностью тока называют отношение величины тока к площади поперечного сечения проводника. Обычно площадь сечения проводников приводится в квадратных миллиметрах, поэтому плотность тока измеряют в а/мм 2 .
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока, проводников и электрической лампочки, соединенных последовательно. Сила тока на всех участках этой цепи одинакова, а значит и количество электричества, протекающего по проводам и волоску лампочки в одно и то же время, одинаковое. Однако количество энергии, выделяющейся на отдельных участках цепи, различно. В этом легко убедиться, если притронуться рукой к проводам, подводящим ток к ламлпочке,- они холодные, в то время как волосок лампочки раскален. Выделение различных количеств энергии на различных участках цепи вызывается тем, что на этих участках цепи существует различное напряжение.
Напряжение на данном участке цепи показывает, какое количество энергии будет выделиться на данном участке при прохождении по нему единицы количества электричества.
За единицу напряжения принимают такое напряжение, при котором на участке цепи выделяется 1 джоуль энергии (1 кг м=9,8 джоуля ), если по этому участку протекает 1 кулон электричества. Единицу напряжения называют вольт ом и сокращенно обозначают буквой в . Единица напряжения «вольт» названа так в честь итальянского ученого Вольта.
Если на каком-либо участке цепи напряжение равно 1 в , это значит, что при прохождении каждого кулона электричества по этому участку выделяется 1 джоуль энергии.
При измерении высоких напряжений применяют единицу, называемую киловольтом и обозначаемую сокращенно кв . Киловольт в тысячу раз больше вольта: 1 кв=1000 в . Для измерения небольших напряжений применяют милливольт (мв ) -единицу, в тысячу раз меньшую, чем вольт: 1 мв = 0,001 в .
Источник электрического тока, включенный в электрическую цель, расходует энергию на преодоление сопротивления цепи. Единицей сопротивления называют ом в честь немецкого ученого Ома, открывшего законы электрического тока; ом - электрическое сопротивление между двумя точками линейного проводника, в котором разность потенциалов в 1 в производит ток в 1 а . Электрическое сопротивление обозначается двумя буквами ом .
При измерении больших сопротивлений пользуются значительно большими единицами, чем ом : килоом (ком ) и мегом (мгом ). 1 ком =1000 ом , 1 мгом= 1 000 000 ом .
Свойства проводников в отношении их электрического сопротивления оценивают по удельному сопротивлению. Удельным сопротивлением называют сопротивление проводника длиной 1 м с поперечным сечением в 1 мм 2 . Удельное сопротивление измеряется тоже в омах.
Если в электрическую цепь, состоящую из лампочки и амперметра, включить один большой гальванический элемент, можно заметить, что по цепи идет очень слабый ток и нить лампочки не накаливается. Как только гальванический элемент заменим свежей батарейкой от карманного фонаря, ток в цепи увеличивается и нить лампочки ярко накаливается. Измерив напряжение на концах цепи при включении элемента и батарейки, увидим, что при включении батарейки напряжение значительно больше.
Отсюда следует, что сила тока в проводнике увеличивается с увеличением напряжения на концах проводника. Включив в цепь вместо одной две лампочки последовательно, увеличиваем сопротивление цепи в два раза. Теперь мы видим, что сила тока в цепи уменьшилась. Изучая зависимость силы тока от сопротивления и напряжения, немецкий ученый Ом установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Эта зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением носит название закона Ома, который является одним из основных законов электрического тока.
Закон Ома выражается следующей формулой:
Где I - ток в а ;
V — напряжение в в ;
R - сопротивление в ом .
Закон Ома распространяется не только на dc. цепь, но и на любой ее участок. Ток на любом участке электрической цепи равен напряжению на концах этого участка, деленному на его сопротивление.
Последовательное соединение в электрической цепи. В большинстве случаев электрическая цепь состоит из нескольких потребителей тока (рис. 5). Соединение потребителей тока, при котором конец одного проводника соединен с началом другого, конец другого - с началом третьего и т.д., называют последовательным.
Рис. 5
Так как сопротивление прямо пропорционально длине проводника, сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников, поскольку включение нескольких проводников увеличивает длину пути тока. Ток на отдельных участках цепи будет одинаковым. Поэтому падение напряжения на каждом участке будет пропорционально сопротивлению данного участка.
Параллельным соединением в электрической цепи называют такое соединение, когда начала всех проводников соединены в одной, а их концы - в другой точке (рис. 6). При параллельном соединении для прохождения электрического тока имеется несколько путей (рис. 6). Ток между параллельно соединенными потребителями распределяется обратно пропорционально сопротивлениям потребителей. Если отдельные потребители обладают одинаковым сопротивлением, ток у них будет одинаковый. Чем меньше сопротивление отдельного потребителя, тем больший ток пройдет через него.
Рис.6
Сумма токов отдельных участков в параллельной цепи равна полному току в точке разветвления цепи.
Если в последавательно соединенной цепи присоединение новых потребителей электрического тока увеличивает сопротивление цепи, при параллельном соединении оно уменьшается: подключенное новое сопротивление увеличивает общее сечение проводника, состоящее из суммы сечений проводников всех потребителей. А как известно, чем больше сечение проводника при постоянной его длине, тем меньше сопротивление.
Пренебрегая сопротивлением соединительных проводов, можно считать, что напряжение источника тока приложено к каждому потребителю параллельной цепи. Поэтому достоинством параллельного соединения является независимость работы каждого потребителя тока. Можно отключить любой потребитель, не прерывая прохождения тока по остальным. Изменив сопротивление одного из потребителей, изменим в его цепи ток. У остальных потребителей ток не изменится.
Рис. 7
Смешанное соединение в электрической цепи. Очень часто в электрических цепях встречается смешанное соединение. Смешанным соединением называют такое соединение, в котором имеется как последовательное, так и параллельное соединение потребителей электрического тока (рис. 7). Для определения сопротивления нескольких проводников, соединенных по смешанной схеме, находят сначала сопротивление параллельно или последовательно соединенных проводников, а затем заменяют их одним проводником с сопротивлением, равным найденному. Таким способом упрощают схему, приводя ее к одному проводнику, сопротивление которого равно общему сопротивлению сложной цепи.
Работа и мощность электрического тока. Электрический ток может производить работу. Способность тела производить работу называют энергией этого тела. Посредством электрических моторов ток приводит в движение электропоезда, станки. За счет энергии электрического тока совершается механическая работа. Если проводник, по которому проходит ток, нагревается, энергия тока превращается в теплоту. При различных проявлениях тока наблюдается превращение электрической энергии в другие виды энергии.
В замкнутой электрической цепи протекает ток, который представляет движение электрических зарядов. Для переноса зарядов в электрической цепи источник электрической энергии затрачивает определенное количество энергии или совершает работу, равную произведению напряжения цепи на перенесенное через цепь количество электричества.
Если по участку электрической цепи протекло Q кулонов электричества, а напряжение на нем равно V , то совершенная на данном участке цепи работа А будет равна:
А = QV дж.
При токе Ia в течение Т секунд через сечение проводника проходит IT = Q кулонов электричества. Следовательно, работа тока в Iа при напряжении V в течение Т секунд будет равна:
A = IVT.
Работу тока принято оценивать по его мощности. Мощность тока численно равна работе, которую производит ток в 1 сек . Следовательно, мощность тока будет равна:
джоулей в 1 сек.
Единицей измерения мощности служит ватт (вт ). Один ватт - мощность тока в 1 а при напряжении в 1 в . Следовательно, с увеличением тока и напряжения мощность увеличивается. Для определения мощности электрического тока необходимо напряжение в вольтах умножить на ток в амперах.
Наряду с ваттом для измерения мощности часто применяют киловатт (1 квт =1000 вт ), гектоватт (1 гвт=100 вт ), милливатт (1 мвт=0,001 вт ) и микроватт (1 мквт= 0,000 001 вт ).
Работу электрического тока можно определить, если его мощность умножить на время прохождения тока: мощность -это работа в 1 сек . За основную единицу работы принята ватт-секунда (вт сек ), т. е. работа тока мощностью 1 вт в течение 1 сек . Более крупными единицами являются ватт-час (1 вт ч=3600 вт сек ), гектоватт-час (1 гвт ч =100 вт ч ), киловатт-час (1 квт ч= 1000 вт ч ).
Закон Ленца-Джоуля. Русский академик Ленц и английский физик Джоуль, независимо друг от друга, установили, что в процессе прохождения электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Эту закономерность называют закомом Ленца - Джоуля и выражают формулой
Q = 0,24I 2 Rt ,
де Q - количество теплоты в кал ;
0,24 - коэффициент пропорциональности, обусловливающий, чтобы ток был выражен в а , напряжение в в , а сопротивление - в ом ;
I - ток в а ;
R - сопротивление проводника в ом ;
t - время, в течение которого ток протекал по проводнику, в сек .
Электрическая дуга. Если сблизить концы двух проводников, присоединенных к источнику электрического тока, между ними образуется искра. Разведя концы, вместо искры получим электрическую дугу, создающую сильный и ослепительный свет. Если к концам проводников присоединить угольные стержни, между ними также возникнет электрическая дуга. Возникновение дуги объясняется следующим образом.
С повышением температуры угольных стержней увеличивается скорость движения электронов, находящихся в угле. При сильном нагреве скорость движения свободных электронов возрастает настолько, что при раздвижении углей электроны из стержней вылетают в межэлектродное пространство. В результате действия вылетевших электронов на нейтральные атомы и интенсивного излучения света нагретыми концами электродов воздух между электродами перестает быть электрически нейтральным, т. е. между концами раздвинутых электродов создается газовый промежуток, хорошо проводящий электрический ток, и возникает электрический разряд.
Способность тока создавать электрическую дугу с успехом используют при сварке. Заменив один из угольных электродов свариваемым изделием, получим электрическую дугу, горящую между этим изделием и вторым угольным электродом. Однако в настоящее время наибольшее применение получил способ сварки металлическим электродом. В этом случае вместо угольного электрода применяют металлический. Сварочная дуга горит между свариваемым изделием и металлическим электродом. После расплавления металлического электрода он заменяется новым.
Короткое замыкание. Аварийный режим работы электрической цепи, когда вследствие уменьшения ее сопротивления ток в ней резко увеличивается против нормального, называют коротким замыканием. Короткое замыкание получается, если в электрическую цепь включается проводник или прибор и т.п. с очень небольшим сопротивлением по сравнению с сопротивлением цепи. Вследствие небольшого сопротивления по цепи пойдет ток, намного превышающий тот, на который рассчитана цепь. Такой ток вызовет выделение большого количества тепла, что приведет к обугливанию и сгоранию изоляции проводов, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и т.п. Может быть поврежден даже источник электрического тока. Поэтому (ввиду опасных разрушительных последствий короткого замыкания необходимо соблюдать определенные условия при монтаже и эксплуатации электрических установок.
Для того чтобы избежать внезапного и опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, цепь защищают плавкими предохранителями. Предохранитель представляет собой легкоплавкую проволоку, включенную в цепь последовательно. При увеличении тока сверх определенной величины проволочка предохранителя нагревается и плавится, электрическая цепь автоматически разрывается и ток в ней прекращается. Плавкие вставки для разных сечений защищаемых проводов и для разных потребителей энергии берутся различные. Плавкие предохранители могут выполнить свою задачу при условии, что они правильно выбраны.
Рис. 8
По своей конструкции предохранители делят на пробочные (рис. 8,а), пластинчатые (рис. 8,б) и трубчатые (рис. 8,в), В пробочных предохранителях плавкая проволока помещается внутри фарфоровой пробки и укрепляется в ее основании, к которому подведены провода размыкаемой цепи. В пластинчатых предохранителях плавкая вставка с помощью наконечников и винтов укреплена на изолирующем основании. Провода размыкаемой цепи подводят к винтам. В трубчатых предохранителях плавкая часть помещена внутри легко-съемных фарфоровых трубок.
В цепях с большим током и напряжением плавкие предохранители применяют редко. В этих случаях устраивают другую автоматическую защиту.