Применение постоянного тока
Оказывается, постоянный ток окружает нас со всех сторон, хотя мы этого подчас не замечаем. Стоит только взглянуть на электронные часы, фонари, персональные компьютеры, средства связи, разнообразные игрушки, электроинструмент с аккумуляторами, всевозможные медицинские приборы, как сразу станет видно, насколько наша жизнь наполнена химическими источниками электрического тока.
Но это далеко не всё. Постоянный электрический ток находит достаточно широкое применение:
- в электронике, использующей его для питания своих схем повсеместно;
- в гальванизации и гальванопластике для нанесения декоративных или защитных покрытий;
- в электролизе при получении с его помощью из расплавов или растворов солей меди, алюминия, магния, никеля, хлора, натрия и калия;
- при проведении сварочных работ методами электродуговой и электрогазовой сварки;
- при преобразовании переменного тока с помощью инверторов в ток постоянный;
- для питания локальных электрических сетей средств автотранспорта;
- на целом ряде судов, где находит применение электрическая передача с двигателя внутреннего сгорания на движитель;
- в медицинских и научных целях.
Постоянный ток на транспорте
Благодаря удачной вариабельности электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, заключающейся в получении повышенного момента вращения при малых оборотах или, наоборот, стабильной скорости при малых оборотах электродвигателя, системы постоянного тока нашли широкое применение на транспорте. С помощью изменения питающего напряжения или последовательного включения реостата можно регулировать число оборотов электродвигателя, задавая тем самым темп и скорость перемещения транспортного средства.
Вот почему двигатели такого типа используются в силовых установках тепловозов, трамваев, троллейбусов, электровозов, электропоездов и на грузоподъёмных машинах. При этом питающее напряжение трамвайных и троллейбусных линий составляет 550-600 В, а линий метрополитена – 750-900 В.
Линии передачи постоянного тока
Использование высоковольтных линий передач постоянного тока (HVDC) с каждым днём становится всё более и более актуальным. Объясняется это возможностью транспортировки на значительные расстояния огромных объёмов электрической энергии. И это при значительно меньших сетевых потерях, чем в процессе использования ЛЭП переменного тока.
Кроме того, такой способ электроснабжения позволяет избежать процесса синхронизации, доставляющего энергетикам множество проблем и хлопот. Существуют и достаточно интересные варианты передач электроэнергии на короткие расстояния с помощью постоянного тока.
Основным сдерживающим фактором здесь выступает необходимость двойного преобразования тока, что значительно усложняет и резко повышает стоимость изготавливаемых конструкций. При удачном решении данной проблемы всё может кардинальным образом измениться. В настоящее время в эксплуатации находятся ЛЭП постоянного тока: Волгоград-Донбасс, Экибастуз-Центр, вставка Выборг-Финляндия.
Основные определения
Электричество каждый день окружает нас, но что такое электрический ток и связанные с ним величины — понимает не каждый человек, однако они важны для повседневной жизни. Есть несколько толкований понятия электротока:
- Принятое в школьном учебнике определение, что электрический ток — это движение частиц, имеющих заряд за счет воздействия на них электрического поля. Частицами являются: протоны, дырки, электроны, ионы.
- В электрической литературе высших учебных заведений пишется, что электрический ток это — скорость, с которой заряд изменяется с течением времени. Принимается отрицательный заряд электронов, положительный у протонов и нейтральный у нейтронов.
Схема протекания электротока в цепи:
Схема протекания электротока в цепи
В электротехнике специалисты отмечают значение такого понятия, как сила тока — это количество частиц, имеющих заряд, которые проходят через сечение проводника с течением времени. Движение тока в проводнике можно описать следующим образом: «…Все токопроводящие материалы имеют внутреннее строение (молекулы, атомы, ядра с вращающимися электронами), когда на материал воздействует химическая реакция, электроны от одного атома перебегают к другому. Создается ситуация, при которой одни атомы испытывают недостаток в электронах, а другие — их избыток, что показывает противоположность заряда. Электроны стремятся к переходу из одного вещества в другое, это движение и есть электрический ток».
Специалисты акцентируют внимание на том, что в этом случае ток течет только до того момента, пока не произойдет уравнивание зарядов в двух веществах
Для понимания движения тока важно знать определение напряжения — это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах
Для понимания движения тока важно знать определение напряжения — это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах
Виды токов
Потоки электронов, имеющиеся в проводящих материалах, могут двигаться всё время в одну сторону либо постоянно менять своё направление. В первом случае они формируют переменный, а во втором – постоянный токи.
Электрическое поле – это?
Переменные потоки образуются под воздействием меняющихся по своей величине и знаку напряжений, прикладываемых к концам проводника, а для получения постоянного токового сигнала используется разность потенциалов одной полярности.
Обратите внимание! Меняющиеся токи протекают по электропроводке любой квартиры, а примером второй разновидности может служить однонаправленное движение электронов в аккумуляторах или батарейках. Исторически сложилось так, что в цепи постоянного потока за его направление принято считать движение от «плюса» источника питания к его «минусу»
Хотя в действительности носители отрицательного заряда перемещаются в прямо противоположном направлении (от «минуса» к «плюсу»). Но принятое ранее условное направление настолько закрепилось в сознании людей, что его оставили неизменным, полагая абсолютно условным значение этого параметра
Исторически сложилось так, что в цепи постоянного потока за его направление принято считать движение от «плюса» источника питания к его «минусу». Хотя в действительности носители отрицательного заряда перемещаются в прямо противоположном направлении (от «минуса» к «плюсу»). Но принятое ранее условное направление настолько закрепилось в сознании людей, что его оставили неизменным, полагая абсолютно условным значение этого параметра.
Постоянный ток
Для того чтобы разобраться с тем, куда текут переменные токи, следует отталкиваться непосредственно от их определения. В этой ситуации под воздействием переменного потенциала (напряжения) они меняют своё направление с определённой периодичностью.
Важно! В российских бытовых сетях переменное напряжение имеет частоту 50 Герц. С соответствующей периодичностью меняет своё направление и текущий по электропроводке ток
В зарубежных электрических сетях (в США и Японии, в частности) данная частота составляет 60 Герц, что несколько повышает эффективность с одновременным возрастанием потерь в питающих линиях.
Переменный ток (график)
Электрическая цепь. Направление электрического тока
В отсутствие электрического поля свободные электроны в проводниках движутся беспорядочно. Если концы проводника (или провода) подсоединить к полюсам источника тока, то в проводнике возникнет электрический ток.
ПРОСТЕЙШИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Чтобы заставить работать различные электрические приборы — электродвигатели, лампы, плитки и т. д., необходимо создать в них электрический ток. Электрические приборы называют приёмниками или потребителями энергии. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока к приёмнику, используют соединительные провода.
Чтобы регулировать процессы протекания электрического тока, включать и выключать потребители электрической энергии, применяются различные приборы управления током: ключи, рубильники, выключатели и другие замыкающие и размыкающие устройства.
Источник тока, потребители электрической энергии и приборы управления током, соединённые между собой проводами, составляют электрическую цепь. Для того чтобы в цепи существовал ток, она должна быть замкнута. Обрыв цепи или замена проводящего участка цепи изолятором приводит к прекращению прохождения тока.
Немецкий профессор Г. К. Лихтенберг из Гёттингена первый предложил ввести символы, обозначающие отдельные элементы электрических цепей. Он обосновал их практическое применение и использовал в своих работах. Благодаря ему математические знаки «+» и «-» стали использовать для обозначения электрических зарядов.
НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
До открытия электрона учёные предполагали, что по цепи движутся только положительные заряды. Поэтому общепринятым направлением электрического тока в цепи считается направление, в котором движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Но это не означает, что во всех проводниках движутся положительные заряды. В одних случаях в проводнике движутся только отрицательные заряды, в других случаях происходит движение зарядов обоих знаков в противоположных направлениях. Но определение направления тока было сделано в те времена, когда природа электрического тока не была до конца изучена.
При направленном движении заряженные частицы могут участвовать и в тепловом хаотическом движении. Характер движения частиц при протекании электрического тока можно сравнить с явлением конвекции в жидкостях и газах, при котором в направленных конвекционных потоках происходит беспорядочное движение молекул.
В металлических проводниках ток создаётся отрицательно заряженными частицами — электронами, которые движутся по цепи от отрицательного полюса источника тока к положительному. Направление тока и направление движения носителей заряда в этом случае противоположны.
Понятия «электрический ток» и «направление электрического тока» были введены французским физиком Андре Мари Ампером. Именно он предложил принять за направление электрического тока то, в котором перемещается «положительное электричество».
Благодаря работам Ампера шаг за шагом выросла новая наука — электродинамика, основанная на экспериментах математической теории. В 1826 г. Ампер опубликовал труд, который назывался «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».
Ампер также ввёл в науку такие термины, как «электростатика», «электродинамика», «соленоид», «электродвижущая сила», «напряжение», «гальванометр» и даже «кибернетика». Он высказал предположение о том, что, вероятно, возникнет новая наука об общих закономерностях процессов управления, и предложил назвать её кибернетикой.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрическая цепь. Направление электрического тока».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).
Просмотров:
4 781
Электрический ток
По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.
Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.
А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У зеленого напор сильнее, у желтого — слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.
Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.
Проводники и диэлектрики
Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.
- Проводники — это материалы, которые проводят электрический ток. Самыми лучшими проводниками являются металлы.
- Диэлектрики — материалы, которые не проводят электрический ток. Изи!
Проводники | Диэлектрики |
Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам | Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук |
То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.
Электрическая цепь и ее схематическое изображение
ОпределениеЭлектрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.
Основные элементы электрической цепи:
- Источник тока (генератор, гальванический элемент, батарея, аккумулятор).
- Потребители тока (лампы, нагревательные элементы и прочие электроприборы).
- Проводники — части цепи, обладающие достаточным запасом свободных электронов, способных перемещаться под действием внешнего электрического поля. Проводники соединяют источники и потребители тока в единую цепь.
- Ключ (переключатель, выключатель) для замыкания и размыкания цепи.
Электрическая цепь также может содержать:
- резистор — элемент электрической цепи, обладающий некоторым сопротивлением;
- реостат — устройство для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления;
- конденсатор — устройство, способное накапливать электрический заряд и передавать его другим элементам цепи;
- измерительные приборы — устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи.
ОпределениеЭлектрическая схема — графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде условных обозначений.
Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи
Простейшая электрическая цепь содержит в себе источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематически ее можно отобразить так:
Электрические токи в природе
Молния
Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин.
В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:
- при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
- напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
- атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
- место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.
Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².
Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.
Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.
Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.
Электробезопасность
Предупреждение по электробезопасности
Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.
Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:
- термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
- электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
- биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)
- механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови)
Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:
- ”безопасным” считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
- ”минимально ощутимый” человеком переменный ток составляет около 0,6—1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5—7 мА постоянного тока;
- пороговым ”неотпускающим” называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10—15 мА, для постоянного — 50—80 мА;
- ”фибрилляционным порогом” называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.
В России в соответствии c Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (Приказ Минэнерго РФ от 13.01.2003 № 6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей») и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок (Приказ Минэнерго РФ от 27.12.2000 N 163 «Об утверждении Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок»), установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.
Сила тока
Сразу возникает потребность в величине, которой мы будем «напор» электрического тока измерять. Такая, чтобы она зависела от количества частиц, которые протекают по проводнику.
Сила тока — это физическая величина, которая показывает, какой заряд прошел через проводник за единицу времени.
Как обозначается сила тока?
Сила тока обозначается буквой I
Сила тока I = q/t I — сила тока q — заряд t — время |
Сила тока измеряется в амперах. Единица измерения выбрана не просто так.
Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который занимался изучением электрических явлений. А во-вторых, единица этой величины выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.
Здесь аналогии с водопроводом провести, увы, не получится. Шланги с водой не притягиваются и не отталкиваются вблизи друг друга (а жаль, было бы забавно).
Когда ток проходит по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются. А когда в противоположном направлении (по этим же проводникам) — отталкиваются.
За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.
Задача
Найти силу тока в цепи, если за 2 секунды в ней проходит заряд, равный 300 мКл.
Решение:
Возьмем формулу силы тока
I = q/t
Подставим значения
I = 300 мКл / 2 с = 150 мА
Ответ: сила тока в цепи равна 150 мА
Чтобы хорошо запомнить теорию, нужно много практики. Классический курс по физике для 10 класса в онлайн-школе Skysmart — отличная возможность попрактиковаться в решении задач.
3.8.3 Сила и плотность тока
Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд. Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника за время t, к этому самому времени:
Измеряется сила тока в амперах (A)11
. При силе тока в 1 А через поперечное сечение проводника за 1 с проходит заряд в 1 Кл.
Подчеркнём, что формула (3.41
) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока. Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает
с
направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода
12
.
В
случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1 с.
Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину
плотности тока:
где I сила тока, S площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (3.41
) имеем также:
j = St
q
:
Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (3.42
), плотность тока измеряется в А/м2
.
Взаимосвязь параметров электрического тока
Элементарная электроцепь постоянного тока включает в себя источник электроэнергии, отрицательный и положительный контакты которого связаны шунтом или проводником. Движение заряда по проводнику осуществляется под воздействием электрического поля. Однако, этот перенос электронов не приводит к уравниванию потенциалов, т.к. в любой отрезок времени, к первому концу цепи поступает абсолютно такое же количество заряженных частиц какое из него переместилось к противоположному контакту. Таким образом разность потенциалов, которую принято называть напряжением, остается неизменяемой величиной.
Перемещению электрических зарядов в цепи, препятствует внутреннее сопротивление материала проводника. Взаимосвязь параметров электротока была выведена опытным путем Г. Омом. В математическом виде закон Ома можно представить так: I=U/R, где собственно I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов) и R – сопротивление на соответствующем участке цепи.
Собственно, из уравнения видно, что напряжение имеет прямую зависимость от силы тока и сопротивления (U=I х R), а величина силы тока обратно пропорциональна сопротивлению.
Последовательное соединение элементов электрической сети постоянного тока
Параметры электроцепи постоянного тока, в случае последовательного соединения устройств, имеют некоторые особенности. Так, например, сила тока (I) остается постоянной на всех элементах электрической схемы, а вот напряжение (U) является суммой напряжений на каждом участке схемы. Рассмотрим пример электрической цепи с последовательно включенными тремя проводниками с сопротивлением R1, R2 и R3. Согласно закону Ома, напряжение U1 = IxR1, U2 = IxR2, U3 = IxR3. Следовательно, U общ = U1+U2+U3= IxR1+ IxR2= IxR3 = I (R1+R2+R3).
Из уравнения видно, что такой параметр электрической цепи как общее сопротивление (R общ), при последовательном соединении, будет равен сопротивлению каждого отдельно взятого проводника. Последовательное подключение электрических устройств позволяет снизить нагрузку на отдельный элемент, что продлевает срок службы, но при этом теряется мощность.
Параметры электрической цепи. Параллельное соединение элементов
Параллельная цепь характеризуются общими контактами в местах ввода и вывода основного провода. В данной ситуации напряжение на всех элементах цепи остается одинаковым, т.е. U1=U2=U3. А вот для силы тока, будет характерна обратная зависимость от сопротивления каждого участка, т.е. I х=U/Rx. Параллельное соединение электроприборов является наиболее распространенным способом в бытовых условиях.
Параметры цепи при смешанном соединении в электрической цепи
Смешанное подключение проводников представляет собой электрическую цепь, в которой элементы включены комбинировано, т.е. как последовательно, так и параллельно друг другу. Для определения конкретных параметров, в этом случае, вся схема разбивается на самостоятельные участки в соответствии со способом подключения. Индивидуальные параметры рассчитываются для каждого участка отдельно. Необходимо отметить, что параллельно включенные участки, могут состоять из ряда последовательно соединенных элементов.
