Электрическое напряжение: общие сведения. Напряжение в электрической цепи

Постоянный ток. Электрические цепи постоянного тока: расчет

Постоянным током являются передвигающиеся в определенном направлении частицы с зарядом. По-другому ток можно назвать такими величинами, как сила тока или напряжение, которые являются постоянными и в направлении, и по значению.

Рассмотрим его характеристику, применение, а также электрические цепи постоянного тока. Ответим на вопросы, каким образом проводится исследование электрической цепи, как она рассчитывается и на некоторые другие.

От плюса к минусу или наоборот?

В источнике электроны передвигаются от минусового значения к плюсовому. Несмотря на то что все об этом знают, принято считать направление от плюса к минусу. Интересно почему? Нам объясняют, что так исторически сложилось. Но так ли это на самом деле? Ведь эта «история» сложилась в какой-то совершенно незначительный промежуток времени.

В постоянном токе действуют главные законы электротехники: закон Ома и законы Кирхгофа. Ток называли раньше гальваническим, так как получили его в результате гальванической реакции. Когда электрический ток начали проводить в дома, велись жесткие споры о том, какой ток вводить: постоянный или переменный. «Войну» выиграл второй, так как он оказался менее затратным. Его гораздо проще передавать на большие расстояния благодаря легкой трансформации.

Как получается постоянный ток

Но и не исчез из использования постоянный ток. Электрические цепи постоянного тока встречаются, к примеру, в аккумуляторах.

Ток вырабатывается посредством электромагнитной индукции, после чего происходит выпрямление коллектором. Такую реакцию производит генератор, где тоже вырабатывается постоянный ток. Электрические цепи постоянного тока могут трансформироваться из переменного за счет преобразователей и выпрямителей.

Область применения

Применение этого вида достаточно широко. В большинстве бытовых приборов дома, к примеру, в компьютерном модеме, зарядке для мобильника, электрочайнике или кухонном комбайне работает именно постоянный ток. Электрические цепи постоянного тока вырабатываются и преобразуются на автомобильном генераторе и любом портативном приборе. На нем функционируют все промышленные двигатели, а в отдельных странах даже высоковольтные линии электрических передач. Даже в некоторых медицинских приборах он применяется.

Постоянный ток является более безопасным, так как смертельный исход может наступить при ударе током от 300 мА, а при переменном — уже при 50-100 мА.

Электрическая цепь

Связь обеспечивается всеми устройствами, благодаря которым осуществляется передача, распределение и преобразование тепловой, электромагнитной, световой и иных видов энергоинформации. Процессы описаны такими электродвижущими силами, как ток и напряжение.

Основные элементы электрических цепей постоянного тока

Основные элементы — это приемники и источники энергоинформации, соединяющиеся проводниками. В источниках различные виды энергии преобразуются в электрическую. А в приемниках, наоборот, электроэнергия переходит в иные виды.

Цепи, где преобразование, передача и получение электрической энергии происходит при постоянном значении напряжения и тока на протяжении всего времени, называются цепями постоянного тока. Там, где процесс происходит с переменным значением — цепями переменного тока.

Чтобы произвести расчет и исследование электрической цепи постоянного тока (лабораторная работа для этих целей обычно служит), применяется схема замещения, то есть идеализированная цепь для расчета реальной. Чтобы ее получить, заменить нужно все элементы схемы. Физические процессы должны быть выражены в каждом математическом описании.

Резистивные элементы

Резистор является одним из приемников электроцепи. Его характеризует активное сопротивление, которое измеряется в Омах. Резистивные сопротивления или, как их еще называют, активные вводятся в схемы замещения, чтобы учитывать преобразующуюся электромагнитную энергию в иные виды.

Расчет сложных электрических цепей постоянного тока производится, если задать положительное направление всех токов и напряжений. Выбирают направление их узла, имеющего большой потенциал к узлу с меньшим потенциалом.

При независящем сопротивлении от тока резистор называют линейным, а электрическую цепь — линейной резистивной. Вольт-амперная характеристика выражается через линейную функцию, проходящую через начало координат.

При анализе таких цепей часто применяют принцип упрощения, состоящий в замене сложных участков электрической цепи на простые. Но ток и напряжение меняться не должны. Тогда цепь свернется до самого простого вида. Соединенные резистивные элементы должны быть параллельно и последовательно преобразованы.

Последовательное и параллельное соединение

При последовательном соединении во всех элементах ток имеет одно и то же значение. Здесь напряжение определяется посредством суммы всех включенных сопротивлений, умноженной на I, то есть:

U=(R1+R2+RN)I=RI.

При параллельном соединении применяется постоянное напряжение, зато ток представляет собой сумму токов на каждом из элементов. Поэтому его можно представить как произведение напряжения на эквивалентную проводимость активных элементов. А она, в свою очередь, равна сумме проводимостей элементов. Вот из чего состоит постоянный ток.

Электрические цепи постоянного тока, помимо этого, содержат источники напряжения и тока.

Источники

Независимое напряжение (ЭДС, ток) от сопротивления внешней цепи называют его источником. Источник ЭДС (напряжения) измеряется на холостом ходу, то есть, где ток в источнике равен нулю. В схемах замещения резистор учитывает тепловые энергетические потери, которые выделяются из источника. Если он равен нулю, а источник тока — бесконечности, это — идеальный источник. Реальный всегда имеет конечное значение.

Внешние характеристики следующие: у источников ЭДС и напряжения зависимость возникает от протекающего тока, а у источника тока — от напряжения на зажимах.

Реальные источники имеют линейные и нелинейные участки. Рассмотрим методы расчета линейных электрических цепей постоянного тока. Они описаны в законе Ома для полной цепи, где I=E/(Rh+Rbh). Тогда U= E- RbhI. Из этих формул выводятся внутреннее сопротивление и внутренняя проводимость:

• Rbh=∆U/∆I;
• Gbh=∆I/∆U.

Расчет нелинейных электрических цепей постоянного тока производится на основе закона Кирхгофа. Методы расчета для линейных и нелинейных схем разные. Поэтому последние в рамках данной статьи не рассматриваются.

Приборы для измерения линейного участка

Электрическая емкость цепи постоянного тока содержит источники. А приборами, его измеряющие, являются: вольтметр для измерения напряжения на участке цепи и амперметр для последовательного включения в цепь. При нулевом значении внутреннего сопротивления и проводимости приборы являются идеальными.

Способы включения становятся более понятными при рассмотрении их с применением измерения сопротивления. По закону Ома R=U/I.

Мы знаем, что реальные приборы не имеют нулевого значения. Поэтому возможны лишь два варианта их включения:

• внутреннее сопротивление вольтметра в разы больше измеряемого амперметра — такое, чтобы снижение напряжения на нем не сокращало снижение на измеряемом сопротивлении, а напряжение, которое измеряется вольтметром должно соответствовать рабочему диапазону;
• внутреннее сопротивление вольтметра соизмеримо с измеряемым, а амперметра — существенно меньше измеряемого.

Эксперимент и задания для контрольной работы

Для измерения напряжения и тока применяются соответствующие генераторы. Внутреннее сопротивление у них измеряется посредством переключателей.

Вольтметр и амперметр входят в блок АВ1.

Для измерения сопротивления применяются специальные схемы. В источнике электродвижущей силы внутреннее сопротивление должно быть выключенным.

В рекомендуемом задании, которое должна иметь контрольная работа, электрические цепи постоянного тока изучаются посредством определения параметров источника электродвижущей силы, источника тока, измерения сопротивления, изучения включения параллельного и последовательного сопротивлений, ВАХ.

fb.ru

ЭДС и напряжение в электрической цепи

 

Источник электрической энергии осуществляет направленное перемещение электрических зарядов по всей замкнутой цепи (рис. 1.3.).

Энергия W, которую затрачивает или может затратить источник на перемещение единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, характеризует электродвижущую силу источника Е (ЭДС):

Из определения следует, что ЭДС является энергетической характеристикой источника тока, а не силовой, как можно было бы решить по названию «электродвижущая сила». Единицей измерения ЭДС является вольт:

(вольт).

Энергия, затраченная на перемещение единицы положительного заряда на каком-либо участке замкнутой цепи, характеризует напряжение или падение напряжения на этом участке (внутреннем или внешнем):

Для замкнутой электрической цепи условие равновесия напряжений

(1.3)

Таким образом, ЭДС источника (Е) можно рассматривать как сумму падений напряжения на внутреннем (U0) и на внешнем (U) участках замкнутой цепи (рис. 2.3).

 

Закон Ома для участка цепи

 

Закон Ома для участка электрической цепи устанавливает зависимость между током, напряжением и сопротивлением на этом участке цепи.

 

Направленное перемещение электрических зарядов в проводнике (т. е. электрический ток I) происходит под действием сил однородного электрического поля (рис. 2.4). Напряженность поля определяется из выражения

где - напряжение на участке проводника длиной l. Плотность тока в проводнике пропорциональна напряженности однородного электрического поля, силы которого направленно перемещают в нем заряды:

(1.4)

где γ - коэффициент пропорциональности, называемый удельной проводимостью, характеризующий способность проводника проводить электрический ток.

Подставив в выражение (2.4) величину напряженности однородного электрического поля, силы которого перемещают заряды в проводнике, получим

или

где - электрическое сопротивление участка проводника (RAB) длинной l,

Тогда (1.5)

Это и есть математическое выражение закона Ома для участка АВ электрической цепи.

Таким образом, ток на участке электрической цепи пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению этого участка.

Закон Ома для участка цепи позволяет определить напряжение данном участке

(1.6)

 

 

а также вычислить сопротивление участка электрической цепи

(1.7)

Выражения (1.6) и (1.7) являются арифметическими следствиями закона Ома, которые широко применяются для расчета электрических цепей.

 

Электрическое сопротивление

Как уже говорилось, обозначается электрическое сопротивление буквой R. Единицей измерения сопротивления является Ом:

[R]= Ом.

Электрическое сопротивление проводника — это противодействие, которое атомы или молекулы проводника оказывают направленному перемещению зарядов.

Сопротивление R зависит от длины проводника l, площади поперечного сечения S и материала проводника ρ:

(1.8)

где - удельное сопротивление проводника, зависящее от свойства материала проводника.

Удельное сопротивление (ρ) - это сопротивление проводника данного материала длиной 1 м площадью поперечного сечения 1 мм2 при температуре 20 °С. Величина удельного сопротивления некоторых проводников приведена в Приложении 4.

Единицей измерения удельного сопротивления является

,

поскольку

Однако на практике сечение проводников выражают в мм2. Поэтому .

Удельное сопротивление проводника определяет область его применения. Так, например, для соединения источника с потребителем применяются металлические провода с малым удельным сопротивлением - алюминий, медь. Для обмоток реостатов нагревательных приборов применяются сплавы с большим удельным сопротивлением - нихром, фехраль (при этом уменьшается длина проводника).

Величину, обратную сопротивлению, называют проводимостью

Единицей проводимости является сименс

[g] = См (сименс)

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R, называют резистивными, а промышленные изделия, предназначенные для выполнения роли сопротивления электрическому току, называются резисторами. Резисторы бывают регулируемые и нерегулируемые, проволочные и непроволочные, пленочные, композиционные и др.

Сопротивление проводников зависит от их температуры.

Сопротивление проводника при любой температуре (с достаточной степенью точности при изменении температуры в пределах 0÷100 °С) можно определить выражением

(1.9)

где R2 - сопротивление проводника при конечной температуре t2; R1 - сопротивление проводника при начальной температуре t1; α - температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления определяет относительное изменение сопротивления проводника при изменении его температуры на 1 oC. Единицей измерения температурного коэффициента сопротивления является

Для различных проводников температурный коэффициент сопротивления имеет различные значения (Приложение 4).

Для металлических проводников (Приложение 4) температурный коэффициент сопротивления α положителен, т. е. с ростом температуры сопротивление металлических проводников увеличивается (2.9). Объясняется это тем, что при нагревании увеличивается подвижность атомов и молекул металла, а следовательно, и число столкновений с ними электрических зарядов увеличивается. Таким образом, возрастает противодействие направленному перемещению этих зарядов, т. е. увеличивается сопротивление металлического проводника.

Для проводников второго рода (электролитов) и угля температурный коэффициент сопротивления α отрицателен, т. е. с ростом температуры их сопротивление уменьшается (2.9). Объясняется это тем, что с повышением температуры ослабляются связи между положительно и отрицательно заряженными частицами, что приводит к усилению ионизации, обуславливающей электропроводность, т. е. уменьшается сопротивление электролитов и угля. Для большинства электролитов α = -0,02 °С-1, а для угля α = - 0,005 °С-1.

 

 



infopedia.su

Электрический ток и электрическая цепь

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, алюминий. Большим сопротивлением обладают никель, 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

где

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/мм2.

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 вольтом 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 мм2. Удельное сопротивление измеряется тоже в омах.

Закон Ома. 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 = 0,24I2Rt,

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.

Плавкие предохранители. 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.

soedenimetall.ru

Электрическое напряжение

За единицу электрического напряжения, электродвижущей силы (ЭДС) принят вольт (в честь итальянского физика А. Вольта). В формулах напряжение обозначают латинской буквой U (читается «у»), а саму единицу напряжения - буквой В. Например, пишут: U = 4,5 В; U = 220 В. Единица вольт характеризует напряжение на концах проводника, участке электрической цепи или полюсах источника тока. Напряжение 1 В - это такая электрическая величина, которая в проводнике сопротивлением 1 Ом создает ток, равный 1 А.

Схема подключения вольтметра.

Батарея 3336 Л, предназначенная для плоского карманного электрического фонаря, как вы уже знаете, состоит из трех элементов, соединенных последовательно. На этикетке батареи можно прочитать, что ее напряжение 4,5 В. Значит, напряжение каждого из элементов батареи 1,5 В. Напряжение батареи «Крона» 9 В, а напряжение электроосветительной сети может быть 127 или 220 В.

Напряжение измеряют вольтметром, подключая прибор одноименными зажимами к полюсам источника тока или параллельно участку цепи, резистору или другой нагрузке, на которой необходимо измерить действующее на ней напряжение. На схемах вольтметр обозначают латинской буквой V.

Вольтметр подключают параллельно нагрузке или источнику тока, питающего электрическую цепь. Для оценки напряжения применяют и более крупную единицу - киловольт (пишут кВ), соответствующую 1000 В, а также более мелкие единицы: милливольт (пишут мВ), равный 0,001 В, и микровольт (пишут мкВ), равный 0,001 мВ. Эти напряжения измеряют соответственно киловольтметрами, милливольтметрами и микровольтметрами. Такие приборы, как вольтметры, подключают параллельно источникам тока или участкам цепей, на которых надо измерить напряжение.

Схема напряженности электрического поля.

Выясним теперь, в чем разница понятий «напряжение» и «электродвижущая сила». Электродвижущей силой называют напряжение, действующее между полюсами источника тока, пока к нему не подключена внешняя цепь-нагрузка, например лампочка накаливания или резистор. Как только будет подключена внешняя цепь и в ней возникнет ток, напряжение между полюсами источника тока станет меньше.

Так, например, новый, не бывший еще в употреблении гальванический элемент имеет ЭДС не менее 1,5 В. При подключении к нему нагрузки напряжение на его полюсах становится равным примерно 1,3-1,4 в. По мере расходования энергии элемента на питание внешней цепи его напряжение постепенно уменьшается. Элемент считается разрядившимся и, следовательно, негодным для дальнейшего применения, когда напряжение снижается до 0,7 В. Хотя, если отключить внешнюю цепь, его ЭДС будет больше этого напряжения.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=U9AJqQWxhtc

А как оценивают переменное напряжение? Когда говорят о переменном напряжении, например о напряжении электроосветительной сети, то имеют в виду его действующее значение, составляющее примерно, как и действующее значение переменного тока, 0,7 амплитудного значения напряжения.

Поделитесь полезной статьей:

Top

fazaa.ru

Электрическая цепь | Физика

Электрическая цепь и выключатели

Электрический ток может возникнуть только в замкнутой электрической цепи. Электрическая цепь состоит как минимум из следующих составляющих: источника электрического тока, проводников и какого-нибудь электрического устройства. Источник тока всегда имеет два полюса — плюс и минус.

Одним выключателем мы можем замыкать и размыкать электрическую цепь.

Существуют различные виды механических выключателей. Например, кнопочный, как кнопка дверного звонка или планочный, как выключатель света в комнате.

Переключатель одновременно размыкает одну электрическую цепь и замыкает другую. Кроме механических переключателей существуют электрические, которые называются реле.

Условные обозначения

Для изображения сложных электрических цепей используют условные обозначения тех или иных электрических устройств и правила их соединения. Проводники электрического тока обозначаются прямыми линиями, которые всегда пересекаются под прямым углом. Если мы хотим показать, что в точке пересечения существует контакт проводников, то это место обозначается жирной точкой.

Проводники и изоляторы

Разные материалы имеют различную электропроводность. Особенно хорошо проводят электрический ток серебро, медь, алюминий и железо. Не так хорошо проводят электрический ток уголь и кислоты. Плохими проводниками являются стекло, фарфор и искусственные материалы. Эти материалы используются при работе с электрическим током в качестве изоляторов.

Атомная структура и заряд

Любое тело состоит из атомов.

Каждый атом имеет ядро из положительно заряженных протонов и нейтрально заряженных нейтронов. Это ядро окружено отрицательно заряженными электронами. В целом атом электрически нейтрален, так как количество положительных и отрицательных частиц одинаково.

Рассмотрим эбонитовую палочку. Если мы потрем палочку о шелковый платок, то с нее часть электронов перейдет на платок. Таким образом, на палочке уменьшается количество отрицательно заряженных частиц. Равновесие нарушится, и палочка приобретет положительный заряд.

Из окружающего пространства положительно заряженная палочка начинает притягивать отрицательно заряженные частички пыли. Когда пылинки касаются палочки, электроны возвращаются на нее, и через некоторое время палочка снова становится электрически нейтральной.

Гроза

Грозовые облака образуются при определенных погодных условиях, когда теплый и влажный воздух быстро поднимается вверх, а холодные слои опускаются вниз.

Потоки теплого воздуха переносят частички воды вверх. При этом происходит разделение зарядов — точно такое же, как при трении эбонитовой палочки о шелковый платок. Воздушные течения поднимают положительно заряженные частички в верхнюю часть облака, в то время как отрицательный заряд концентрируется в его нижней части.

Таким образом, в большом грозовом облаке возникает огромная разница зарядов. Молния возникает в тот момент, когда заряды начинают перемещаться. При этом за очень короткое время протекает мощнейший электрический ток. Под его действием воздух нагревается и начинает интенсивно светиться. Большинство молний находится внутри облака.

Молния может возникнуть также между грозовым облаком и возвышенностью на поверхности Земли.

Благодаря выделению огромного количества энергии воздух вокруг молнии резко нагревается, расширяется и начинает быстро распространяться в виде волны. Эту ударную волну мы слышим как раскаты грома.

Направление тока

Металлы имеют определенное атомное строение, которое является причиной их хорошей электропроводности. Рассмотрим строение медной проволоки. Атомы меди расположены на одинаковом расстоянии один от другого, образуя атомную решетку. Вокруг каждого атома двигаются отрицательно заряженные свободные электроны, которые играют огромную роль для электропроводности металла.

Возьмем медную проволоку в качестве проводника в замкнутой электрической цепи. Тогда свободные электроны будут притягиваться положительным полюсом источника и одновременно отталкиваться от отрицательного полюса. В результате свободные электроны в медной проволоке движутся от отрицательного полюса источника к его положительному полюсу.

В источнике электрического тока электроны перемещаются от плюса к минусу под действием определенной химической реакции.Когда в 18 веке открыли электрический ток, то об электронах не знали практически ничего. Действие электрического тока наблюдали только по внешним проявлениям, поэтому направление тока определили произвольно, от плюса к минусу. Такое направление тока называется техническим, и оно используется по сей день.

Сила тока, напряжение, сопротивление

Чтобы измерить электрический ток, необходимо узнать количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за одну секунду. Эта величина называется силой тока и измеряется в амперах (A).

Если мы возьмем более сильный источник тока, то через поперечное сечение проводника пройдет большее количество заряженных частиц за одну секунду. Сила тока увеличилась, так как более мощный источник тока действует на электроны с большей силой притяжения. Эта сила притяжения источника тока называется электрическим напряжением и измеряется в вольтах (В).(во втором случае электроны двигаются быстрее)

Если заменить батарею постоянным источником тока, то можно определить воздействие электрического напряжения на силу тока.

Сила тока и напряжение зависят один от другого. Большее напряжение означает также и большую силу тока.

Любой материал обладает электрическим сопротивлением, которое характеризует способность материала препятствовать движению электрического тока. Это означает, что сила тока будет тем больше, чем меньше электрическое сопротивление материала при условии постоянного напряжения.

Это пропорциональное соотношение называется законом Ома: напряжение (U), деленное на силу тока (I), есть величина постоянная (R). Эта величина называется электрическим сопротивлением и измеряется в омах. 1 ом равняется 1 вольту, деленному на 1 ампер.

Последовательное соединение

В гирлянде лампочки располагаются последовательно. Такое соединение называется последовательным соединением проводников.

Если замерить силу тока в такой цепи в любом ее месте, то амперметр будет показывать одну и ту же величину. В нашем случае это 0,2 ампера.

Вольтметр, в свою очередь, в разных точках показывает различные значения напряжения. Напряжение на отдельных лампочках суммируются в общее напряжение, равное 14 В. Это означает, что все потребители электрического тока должны делить эти 14 В между собой. Если мы, например, уберем из цепи 2 лампы с сопротивлением 20 Ом, то общее напряжение будет делиться на оставшиеся 3 лампы. Теперь на каждой лампе будет напряжение в 4,6 В.

Uобщ = U1 + U2 + U3 + U4 + U5

Таким образом, общее сопротивление цепи рассчитывается следующим образом:

Параллельное соединение

Большинство домашних электрических приборов функционируют при напряжении 220 В. Они не могут быть подключены в цепь последовательно, так как тогда на каждый прибор будет приходиться напряжение намного меньшее, чем 220 В. Подобным образом можно подключить только один прибор, который будет работать в полную силу.

В связи с этим домашние приборы подключаются к источнику тока параллельно, что позволяет каждому прибору получить нужное напряжение — 220 В.

При параллельном подключении приборов на каждом приборе будет одинаковое напряжение в 220 В.

При помощи амперметра измерим силу тока на трех участках электрической цепи. Общая сила тока составляет 12,6 А. Сила тока на измеренных участках: I1 = 3,5 A, I2 = 8,7 A, I3 = 0,4 A, что в сумме дает 12,6 А. Из этого следует, что при параллельном подключении общая сила тока равна сумме всех токов в цепи.

V = V1 = V2 = V3I = I1 + I2 + I3

При параллельном подключении мы можем высчитать общее сопротивление и сопротивление на каждом отдельном участке цепи: Rобщ = Uобщ / Iобщ и в нашем случае: Rобщ = 220 / 12.6 = 17.5 Ом. Это сопротивление меньше, чем наименьшее отдельное сопротивление. Если мы хотим вычислить общее сопротивление цепи, зная сопротивление отдельных частей, то нам необходимо произвести следующее суммирование: 1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3. Так выглядит закон вычисления общего сопротивления для параллельного подключения.

Постоянный и переменный ток

Если мы используем батарею или аккумулятор в качестве источника напряжения, то мы получим постоянный ток в электрической цепи. В цепи постоянного тока электроны текут медленно и всегда в одном направлении: вне батареи от минусового полюса к плюсовому полюсу, а внутри батареи наоборот.

Для большинства электрических приборов не имеет значения, используется постоянный или переменный ток. В любом случае, электростанции поставляют переменный ток. При переменном токе источник напряжения регулярно меняет полярность. Напряжение, которое мы можем измерить в розетке, составляет 220 В и имеет частоту 50 Гц. Это значит, что ток меняет направление 100 раз за секунду. Электроны в переменном токе текут, постоянно меняя направление, то в одну, то в другую сторону.(на первой картинке электроны медленно перемещаются слева направо, на второй — дергаются туда-сюда)

Передавать электрическую энергию можно при помощи как постоянного, так и переменного тока. Использование переменного тока более выгодно, так как в этом случае потери энергии значительно снижаются.

Действие электрического тока

Если в цепь подключить кусок проволоки, то она скоро нагреется. Это нагревание происходит за счет движения электронов, которые, как говорят, "трутся" об атомы. Скорость и величина нагревания зависят от материала, из которого изготовлена проволока. Чем больше сопротивление материала, тем быстрее нагревается проволока.

Если мы хотим с помощью электрического тока нагреть электрическую плиту или утюг, то надо использовать материалы с высоким сопротивлением и хорошей теплопроводностью. Длинная проволока выделит больше тепла, чем короткая, но для удобства использования, ее надо свернуть в спираль.

Если на спираль накаливания подать большее напряжение, то вместе с теплом она будет давать и свет. Это явление используется с 1879 года, когда Эдисоном была изобретена лампочка накаливания.

Если напряжение слишком высокое, то проволока может расплавиться. Это связано с тем, что выделяется большое количество энергии, которого достаточно, чтобы расплавить проволоку.

Электрический ток способствует протеканию химических реакций в жидких проводниках. Примером жидких проводников являются кислоты, щелочи, растворы солей. Химическое действие электрического тока можно показать на следующем примере. Возьмем угольную палочку и железный гвоздь и опустим их в раствор хлорида меди. Эти, так называемые электроды, подключим к источнику напряжения. Гвоздь подсоединим к минусу, после чего будем называть его катодом, а угольную палочку — к плюсу, и назовем ее анодом.

Спустя некоторое время на поверхности угольной палочки начнут образовываться пузырьки газа, а поверхность железного гвоздя покроется коричневым налетом. Эту химическую реакцию вызвал электрический ток. Такой процесс называется электролизом.

В растворе хлорида меди перемещаются положительно заряженные ионы меди и отрицательно заряженные хлорид-ионы. Ионами называются заряженные частички, которые притягиваются противоположным электродом. Там они отдают свой заряд и становятся нейтральными. Это означает, что хлорид-ионы перемещаются к угольной палочке, а ионы меди к гвоздю.Когда ион меди подходит к металлическому гвоздю и получает два электрона, то он превращается в металлическую медь, которая осаждается на поверхности гвоздя. В свою очередь, хлорид-ион отдает электрон положительному угольному электроду и превращается в чистый хлор, который имеет газообразную форму и выделяется из раствора. Такой вид электролиза можно использовать для покрытия металлических изделий тонким слоем различных металлов. Подобный процесс называется гальванизацией.

В свободном состоянии стрелка компаса всегда показывает на север. Н если компас поместить под кабель, по которому течет электрический ток, то стрелка обязательно отклониться. Электричество и магнетизм тесно связаны. Это явление в 1820 году впервые открыл Кристиан Эрстед.

phscs.ru

---

• 
  Напряжение что характеризует
• 
  Как найти напряжение на конденсаторе
• 
  Что такое напряжение короткого замыкания трансформатора
• 
  Через замкнутый кольцевой сердечник трансформатора понижающего напряжение
• 
  По какой формуле вычисляется напряжение
• 
  Напряжение цепи
• 
  Напряжение стабилизации
• 
  Напряжение батарейки
• 
  Батарейки напряжение
• 
  Формула напряжение на катушке индуктивности
• 
  Напряжение нулевой последовательности