Ce qui est actuel en physique. Qu'est-ce que le courant électrique

29.09.2019

Le courant électrique est le mouvement ordonné de particules chargées.

2. Dans quelles conditions le courant électrique se produit-il ?

Le courant électrique se produit s'il y a des charges gratuites, ainsi que sous l'action d'un champ électrique externe. Pour obtenir un champ électrique, il suffit de créer une différence de potentiel entre deux points du conducteur.

3. Pourquoi le mouvement des particules chargées dans un conducteur en l'absence de champ électrique externe est-il chaotique ?

S'il n'y a pas de champ électrique externe, il n'y a pas non plus de composante de vitesse supplémentaire dirigée le long de l'intensité du champ électrique, ce qui signifie que toutes les directions de mouvement des particules sont égales.

4. En quoi le mouvement des particules chargées dans un conducteur diffère-t-il en l'absence et en présence d'un champ électrique externe ?

En l'absence de champ électrique, le mouvement des particules chargées est chaotique, et en sa présence, le mouvement des particules est le résultat de mouvements chaotiques et de translation.

5. Comment la direction du courant électrique est-elle sélectionnée ? Dans quelle direction les électrons se déplacent-ils dans un conducteur métallique transportant du courant électrique ?

La direction du courant électrique est considérée comme la direction du mouvement des particules chargées positivement. Dans un conducteur métallique, les électrons se déplacent dans le sens opposé au sens du courant.

Sans quelques connaissances de base en électricité, il est difficile d'imaginer comment fonctionnent les appareils électriques, pourquoi ils fonctionnent, pourquoi vous devez brancher le téléviseur pour le faire fonctionner et pourquoi une lampe de poche n'a besoin que d'une petite pile pour briller dans le noir. .

Et ainsi nous comprendrons tout dans l'ordre.

Électricité

Électricité- Ce un phénomène naturel, confirmant l'existence, l'interaction et le mouvement des charges électriques. L'électricité a été découverte pour la première fois au 7ème siècle avant JC. Le philosophe grec Thalès. Thalès a remarqué que si un morceau d'ambre est frotté sur de la laine, il commence à attirer les objets légers. L'ambre en grec ancien signifie électron.

C'est ainsi que j'imagine Thalès assis, frottant un morceau d'ambre sur son himation (c'est le vêtement d'extérieur en laine des anciens Grecs), puis, d'un air perplexe, il regarde les cheveux, les bouts de fil, les plumes et les bouts de papier être attirés. à l'ambre.

Ce phénomène est appelé électricité statique. Vous pouvez répéter cette expérience. Pour ce faire, frottez soigneusement une règle en plastique ordinaire avec un chiffon en laine et amenez-la sur les petits morceaux de papier.

Il convient de noter que ce phénomène n’a pas été étudié depuis longtemps. Et ce n'est qu'en 1600, dans son essai « Sur l'aimant, les corps magnétiques et le grand aimant - la Terre », que le naturaliste anglais William Gilbert a introduit le terme électricité. Dans son travail, il décrit ses expériences avec des objets électrifiés et établit également que d'autres substances peuvent s'électrifier.

Puis, pendant trois siècles, les scientifiques les plus avancés du monde étudient l'électricité, écrivent des traités, formulent des lois, inventent des machines électriques, et ce n'est qu'en 1897 que Joseph Thomson découvre le premier vecteur matériel d'électricité - l'électron, une particule qui réalise des processus électriques dans substances possibles.

Électron– c'est une particule élémentaire, a une charge négative approximativement égale à -1.602·10 -19 Cl (Pendentif). Désigné e ou e –.

Tension

Pour faire passer des particules chargées d'un pôle à l'autre, il faut créer entre les pôles différence de potentiel ou - Tension. Unité de tension – Volt (DANS ou V). Dans les formules et les calculs, la tension est désignée par la lettre V . Pour obtenir une tension de 1 V, il faut transférer une charge de 1 C entre les pôles, tout en effectuant 1 J (Joule) de travail.

Pour plus de clarté, imaginez un réservoir d'eau situé à une certaine hauteur. Un tuyau sort du réservoir. L'eau sous pression naturelle quitte le réservoir par un tuyau. Admettons que l'eau est charge électrique, la hauteur de la colonne d'eau (pression) est tension, et la vitesse de l'écoulement de l'eau est électricité .

Ainsi, plus il y a d’eau dans le réservoir, plus la pression est élevée. De même d’un point de vue électrique, plus la charge est importante, plus la tension est élevée.

Commençons à vidanger l'eau, la pression va diminuer. Ceux. Le niveau de charge baisse - la tension diminue. Ce phénomène peut être observé dans une lampe de poche : l'ampoule diminue à mesure que les piles sont déchargées. Veuillez noter que plus la pression de l'eau (tension) est faible, plus le débit d'eau (courant) est faible.

Électricité

Électricité- Ce processus physique mouvement directionnel de particules chargées sous l'influence d'un champ électromagnétique d'un pôle à l'autre d'un circuit électrique fermé. Les particules porteuses de charges peuvent inclure des électrons, des protons, des ions et des trous. Sans circuit fermé, aucun courant n'est possible. Particules capables de transporter charges électriques n'existent pas dans toutes les substances, celles dans lesquelles ils existent sont appelées conducteurs Et semi-conducteurs. Et les substances dans lesquelles il n'y a pas de telles particules - diélectriques.

Unité actuelle – Ampère (UN). Dans les formules et les calculs, l'intensité du courant est indiquée par la lettre je . Un courant de 1 Ampère est généré lorsqu'une charge de 1 Coulomb (6,241·10 18 électrons) traverse un point d'un circuit électrique en 1 seconde.

Reprenons notre analogie eau-électricité. Prenons maintenant deux réservoirs et remplissons-les avec une quantité égale d’eau. La différence entre les réservoirs réside dans le diamètre du tuyau de sortie.

Ouvrons les robinets et veillons à ce que le débit d'eau du réservoir de gauche soit plus important (le diamètre du tuyau est plus grand) que celui de droite. Cette expérience montre clairement que la vitesse d'écoulement dépend du diamètre du tuyau. Essayons maintenant d'égaliser les deux flux. Pour ce faire, ajoutez de l'eau (charge) dans le réservoir de droite. Cela donnera plus de pression (tension) et augmentera le débit (courant). Dans un circuit électrique, le diamètre du tuyau dépend de résistance.

Les expériences réalisées démontrent clairement la relation entre tension, choc électrique Et résistance. Nous parlerons davantage de la résistance un peu plus tard, mais maintenant quelques mots supplémentaires sur les propriétés du courant électrique.

Si la tension ne change pas de polarité, du plus au moins, et que le courant circule dans une direction, alors c'est D.C. et en conséquence pression constante. Si la source de tension change de polarité et que le courant circule d'abord dans un sens, puis dans l'autre, c'est déjà courant alternatif Et Tension alternative. Valeurs maximales et minimales (indiquées sur le graphique comme Io ) - Ce amplitude ou des valeurs de courant de pointe. Dans les prises domestiques, la tension change de polarité 50 fois par seconde, c'est-à-dire le courant oscille ici et là, il s'avère que la fréquence de ces oscillations est de 50 Hertz, ou 50 Hz en abrégé. Dans certains pays, par exemple aux USA, la fréquence est de 60 Hz.

Résistance

Résistance électrique– une grandeur physique qui détermine la propriété d’un conducteur à empêcher (résister) au passage du courant. Unité de résistance – Ohm(noté Ohm ou la lettre grecque oméga Ω ). Dans les formules et les calculs, la résistance est indiquée par la lettre R. . Un conducteur a une résistance de 1 ohm aux pôles de laquelle une tension de 1 V est appliquée et un courant de 1 A circule.

Les conducteurs conduisent le courant différemment. Leur conductivité dépend tout d'abord du matériau du conducteur, ainsi que de la section et de la longueur. Plus la section est grande, plus la conductivité est élevée, mais plus la longueur est longue, plus la conductivité est faible. La résistance est le concept inverse de la conductivité.

En utilisant le modèle de plomberie comme exemple, la résistance peut être représentée par le diamètre du tuyau. Plus il est petit, plus la conductivité est mauvaise et plus la résistance est élevée.

La résistance d'un conducteur se manifeste, par exemple, par l'échauffement du conducteur lorsqu'un courant le traverse. De plus, plus le courant est important et plus la section du conducteur est petite, plus l'échauffement est fort.

Pouvoir

Pouvoir électrique est une grandeur physique qui détermine le taux de conversion de l’électricité. Par exemple, vous avez entendu plus d’une fois : « une ampoule, c’est autant de watts ». Il s'agit de la puissance consommée par l'ampoule par unité de temps pendant le fonctionnement, c'est-à-dire convertir un type d’énergie en un autre à une certaine vitesse.

Les sources d'électricité, telles que les générateurs, sont également caractérisées par la puissance, mais déjà générée par unité de temps.

Unité de puissance - Watt(noté W ou W). Dans les formules et les calculs, la puissance est indiquée par la lettre P. . Pour les circuits à courant alternatif, le terme est utilisé Pleine puissance, unité - Voltampères (Virginie ou VIRGINIE), désigné par la lettre S .

Et enfin à propos Circuit électrique. Ce circuit est un certain ensemble de composants électriques capables de conduire le courant électrique et interconnectés en conséquence.

Ce que nous voyons sur cette image est un appareil électrique de base (lampe de poche). Sous tension U(B) une source d'électricité (batteries) via des conducteurs et autres composants avec des résistances différentes 4,59 (220 voix)

Comment s’appelle la force actuelle ? Cette question s'est posée dans nos esprits plus d'une ou deux fois au cours de discussions sur diverses questions. Par conséquent, nous avons décidé d'en parler plus en détail et nous essaierons de le rendre aussi accessible que possible sans énorme montant formules et termes peu clairs.

Alors, qu’est-ce que le courant électrique ? Il s'agit d'un flux dirigé de particules chargées. Mais que sont ces particules, pourquoi se déplacent-elles soudainement et où ? Tout cela n'est pas très clair. Par conséquent, examinons cette question plus en détail.

Commençons par la question des particules chargées, qui sont en fait porteuses de courant électrique.. DANS différentes substances ils sont différents. Par exemple, qu’est-ce que le courant électrique dans les métaux ? Ce sont des électrons. Dans les gaz, il y a des électrons et des ions ; dans les semi-conducteurs - trous ; et dans les électrolytes, ce sont des cations et des anions.

Ces particules ont une certaine charge. Cela peut être positif ou négatif. La définition des charges positives et négatives est donnée sous condition. Les particules qui ont la même charge se repoussent et les particules qui ont la même charge s'attirent.

Sur cette base, il s'avère logique que le mouvement se produise du pôle positif au pôle négatif. Et plus le nombre de particules chargées présentes sur un pôle chargé est grand, plus leur nombre se déplacera vers le pôle de signe différent.
Mais tout cela n’est que théorie profonde, alors prenons un exemple concret. Disons que nous avons une prise à laquelle aucun appareil n'est connecté. Y a-t-il du courant là-bas ?
Pour répondre à cette question, nous devons savoir ce que sont la tension et le courant. Pour rendre cela plus clair, regardons cela en utilisant l'exemple d'un tuyau avec de l'eau. Pour faire simple, le tuyau est notre fil. La section transversale de ce tuyau est la tension du réseau électrique et la vitesse d'écoulement est notre courant électrique.
Revenons à notre point de vente. Si nous faisons une analogie avec un tuyau, alors une prise sans appareils électriques qui y sont connectés est un tuyau fermé par une vanne. Autrement dit, il n’y a pas de courant électrique.

Mais il y a là des tensions. Et si dans un tuyau, pour qu'un flux apparaisse, il faut ouvrir la vanne, alors pour créer un courant électrique dans le conducteur, il faut connecter une charge. Cela peut être fait en branchant la fiche dans la prise.
Bien entendu, il s’agit là d’une présentation très simplifiée du problème, et certains professionnels me critiqueront et signaleront des inexactitudes. Mais cela donne une idée de ce qu’on appelle le courant électrique.

Courant continu et alternatif

La prochaine question que nous proposons de comprendre est : qu'est-ce que le courant alternatif et le courant continu. Après tout, beaucoup ne comprennent pas très bien ces concepts.

Une constante est un courant qui ne change ni d’ampleur ni de direction au fil du temps. Très souvent, le courant pulsé est également considéré comme constant, mais parlons de tout dans l'ordre.

Le courant continu se caractérise par le fait que le même nombre de charges électriques se remplacent constamment dans un sens. La direction va d’un pôle à l’autre.
Il s’avère qu’un conducteur a toujours une charge positive ou négative. Et au fil du temps, cela reste inchangé.

Note! Lors de la détermination de la direction du courant continu, des désaccords peuvent survenir. Si le courant est généré par le mouvement de particules chargées positivement, alors sa direction correspond au mouvement des particules. Si le courant est formé par le mouvement de particules chargées négativement, alors sa direction est considérée comme opposée au mouvement des particules.

Mais le concept de courant continu inclut souvent ce qu'on appelle le courant pulsé. Elle ne diffère d'une constante que par le fait que sa valeur change avec le temps, mais en même temps elle ne change pas de signe.
Disons que nous avons un courant de 5A. Pour le courant continu, cette valeur restera inchangée pendant toute la durée. Pour le courant pulsé, dans une période de temps, il sera de 5, dans une autre de 4 et dans la troisième de 4,5. Mais en même temps, il ne descend en aucun cas en dessous de zéro et ne change pas de signe.

Ce courant d'ondulation est très courant lors de la conversion du courant alternatif en courant continu. C'est exactement le courant pulsé produit par votre onduleur ou pont de diodes en électronique.
L’un des principaux avantages du courant continu est qu’il peut être stocké. Vous pouvez le faire vous-même, en utilisant des piles ou des condensateurs.

Courant alternatif

Pour comprendre ce qu’est le courant alternatif, nous devons imaginer une onde sinusoïdale. C'est cette courbe plate qui caractérise le mieux l'évolution du courant continu et constitue la norme.

	Comme une onde sinusoïdale, un courant alternatif à fréquence constante change de polarité. À un moment donné, il est positif et à un autre moment, il est négatif.
	Par conséquent, il n’y a pas de porteurs de charge en tant que tels directement dans le conducteur du mouvement. Pour comprendre cela, imaginez une vague se précipitant sur le rivage. Il se déplace dans un sens puis dans le sens opposé. En conséquence, l’eau semble bouger, mais reste en place.
	Sur cette base, pour le courant alternatif, il est très facteur important devient son taux de changement de polarité. Ce facteur est appelé fréquence. Plus cette fréquence est élevée, plus la polarité du courant alternatif change souvent par seconde. Dans notre pays, il existe une norme pour cette valeur - elle est égale à 50 Hz. Autrement dit, le courant alternatif change sa valeur d'extrêmement positive à extrêmement négative 50 fois par seconde.
	Mais il n’existe pas que du courant alternatif d’une fréquence de 50 Hz. De nombreux équipements fonctionnent sur courant alternatif de différentes fréquences. Après tout, en modifiant la fréquence du courant alternatif, vous pouvez modifier la vitesse de rotation des moteurs. Vous pouvez également obtenir des performances de traitement de données plus élevées, comme dans les chipsets de vos ordinateurs, et bien plus encore.

Note! Vous pouvez clairement voir ce qu'est le courant alternatif et continu en utilisant l'exemple d'une ampoule ordinaire. Ceci est particulièrement visible sur les lampes à diodes de mauvaise qualité, mais si vous regardez attentivement, vous pouvez également le voir sur une lampe à incandescence ordinaire. Lorsqu'ils fonctionnent en courant continu, ils brillent d'une lumière uniforme et lorsqu'ils fonctionnent en courant alternatif, ils scintillent à peine perceptiblement.

Qu'est-ce que la densité de puissance et de courant ?

Eh bien, nous avons découvert ce qu'est le courant constant et ce qu'est le courant alternatif. Mais vous vous posez probablement encore beaucoup de questions. Nous essaierons de les considérer dans cette section de notre article.

À partir de cette vidéo, vous en apprendrez davantage sur ce qu'est le pouvoir.

Et la première de ces questions sera : qu’est-ce que la tension électrique ? La tension est la différence de potentiel entre deux points.

La question se pose immédiatement : qu’est-ce que le potentiel ? Maintenant, les professionnels vont encore me critiquer, mais disons ceci : c’est un excès de particules chargées. Autrement dit, il y a un point où il y a un excès de particules chargées – et il y a un deuxième point où il y a plus ou moins de ces particules chargées. Cette différence est appelée tension. Elle se mesure en volts (V).

Prenons l'exemple d'un point de vente ordinaire. Vous savez probablement tous que sa tension est de 220 V. Nous avons deux fils dans la prise, et une tension de 220 V signifie que le potentiel d'un fil est supérieur au potentiel du deuxième fil exactement de ces 220 V.
Nous devons comprendre le concept de tension afin de comprendre quelle est la puissance d’un courant électrique. Bien que d'un point de vue professionnel, cette affirmation ne soit pas tout à fait correcte. Le courant électrique n’a pas de pouvoir, mais en est un dérivé.

Pour comprendre ce point, revenons à notre analogie avec la conduite d’eau. Comme vous vous en souvenez, la section transversale de ce tuyau est la tension et le débit dans le tuyau est le courant. Donc : la puissance est la quantité d’eau qui circule dans ce tuyau.
Il est logique de supposer qu'à sections transversales égales, c'est-à-dire tensions, plus le débit, c'est-à-dire le courant électrique, est fort, plus le débit d'eau se déplace dans le tuyau. En conséquence, plus le pouvoir sera transféré au consommateur.
Mais si, par analogie avec l'eau, nous pouvons transmettre une quantité d'eau strictement définie à travers un tuyau d'une certaine section, puisque l'eau n'est pas comprimée, alors avec le courant électrique, tout est différent. Nous pouvons théoriquement transmettre n’importe quel courant à travers n’importe quel conducteur. Mais en pratique, un conducteur de petite section à une densité de courant élevée grillera tout simplement.

À cet égard, nous devons comprendre ce qu’est la densité de courant. En gros, il s’agit du nombre d’électrons qui se déplacent à travers une certaine section transversale d’un conducteur par unité de temps.
Ce nombre devrait être optimal. Après tout, si nous prenons un conducteur de grande section et y transmettons un petit courant, le prix d'une telle installation électrique sera élevé. Dans le même temps, si nous prenons un conducteur de petite section, il surchauffera et brûlera rapidement en raison de la densité de courant élevée.
À cet égard, le PUE comporte une section correspondante qui vous permet de sélectionner des conducteurs en fonction de la densité de courant économique.

Mais revenons au concept de ce qu’est la puissance actuelle ? Comme nous le comprenons de notre analogie, avec la même section de tuyau, la puissance transmise ne dépend que de l'intensité du courant. Mais si la section transversale de notre tuyau est augmentée, c'est-à-dire que la tension est augmentée, dans ce cas, aux mêmes débits, des volumes d'eau complètement différents seront transmis. C'est pareil en électricité.

Plus la tension est élevée, moins il faut de courant pour transmettre la même puissance. C’est pourquoi les lignes électriques à haute tension sont utilisées pour transmettre de grandes quantités d’énergie sur de longues distances.

Après tout, une ligne avec une section de fil de 120 mm 2 pour une tension de 330 kV est capable de transmettre plusieurs fois plus de puissance par rapport à une ligne de même section, mais avec une tension de 35 kV. Bien que ce qu'on appelle la force actuelle sera la même chez eux.

Méthodes de transmission du courant électrique

Nous avons compris ce que sont le courant et la tension. Il est temps de comprendre comment distribuer le courant électrique. Cela vous permettra de vous sentir plus en confiance face aux appareils électriques à l’avenir.

Comme nous l'avons déjà dit, le courant peut être alternatif et constant. Dans l'industrie, et dans vos prises, on utilise du courant alternatif. C’est plus courant car il est plus facile de transmettre par fil. Le fait est que changer la tension continue est assez difficile et coûteux, mais la modification de la tension alternative peut être effectuée à l'aide de transformateurs ordinaires.

Note! Aucun transformateur CA ne fonctionnera avec du courant CC. Puisque les propriétés qu’il utilise ne sont inhérentes qu’au courant alternatif.

Mais cela ne signifie pas du tout que le courant continu n’est utilisé nulle part. Il en a un autre propriété utile, ce qui n'est pas inhérent à la variable. Il peut être accumulé et stocké.
À cet égard, le courant continu est utilisé dans tous les appareils électriques portables, y compris transports ferroviaires, ainsi que dans certaines installations industrielles où il est nécessaire de maintenir la fonctionnalité même après une perte totale d'alimentation électrique.

Les batteries constituent la méthode la plus courante de stockage de l’énergie électrique. Ils ont spécial propriétés chimiques, permettant d'accumuler puis, si nécessaire, de libérer du courant continu.
Chaque batterie possède une quantité d’énergie accumulée strictement limitée. C'est ce qu'on appelle la capacité de la batterie et elle est déterminée en partie par le courant d'appel de la batterie.
Qu'est-ce que le courant de démarrage de la batterie ? Il s’agit de la quantité d’énergie que la batterie est capable de fournir dès le premier instant où la charge est connectée. Le fait est que, selon leurs propriétés physiques et chimiques, les batteries diffèrent dans la manière dont elles libèrent l'énergie accumulée.

Certaines personnes peuvent donner beaucoup à la fois. Pour cette raison, ils se déchargeront bien sûr rapidement. Et ces derniers donnent longtemps, mais petit à petit. En plus, aspect important La batterie est capable de maintenir la tension.
Le fait est que, comme le disent les instructions, pour certaines batteries, à mesure que leur capacité se libère, leur tension diminue progressivement. Et d’autres batteries sont capables de fournir la quasi-totalité de leur capacité avec la même tension. Sur la base de ces propriétés de base, ces installations de stockage d'électricité sont choisies.
Pour transmettre le courant continu, deux fils sont utilisés dans tous les cas. C'est une veine positive et négative. Rouge et bleu.

Courant alternatif

Mais avec le courant alternatif, tout est bien plus compliqué. Il peut être transmis sur un, deux, trois ou quatre fils. Pour expliquer cela, il faut comprendre la question : qu’est-ce que le courant triphasé ?

Notre courant alternatif est produit par un générateur. En règle générale, presque tous ont une structure en trois phases. Cela signifie que le générateur a trois bornes et qu'un courant électrique est fourni à chacune de ces bornes, différant des précédentes par un angle de 120⁰.

Pour comprendre cela, rappelons-nous notre sinusoïde, qui est un modèle de description du courant alternatif, et selon les lois duquel il évolue. Prenons trois phases - "A", "B" et "C" et prenons un certain moment dans le temps. À ce stade, l’onde sinusoïdale de la phase « A » est au point zéro, l’onde sinusoïdale de la phase « B » est au point extrême positif et l’onde sinusoïdale de la phase « C » est au point extrême négatif.
À chaque unité de temps suivante, le courant alternatif dans ces phases changera, mais de manière synchrone. C'est-à-dire qu'après un certain temps, dans la phase « A », il y aura un maximum négatif. Dans la phase « B » il y aura un zéro et dans la phase « C » il y aura un maximum positif. Et après un certain temps, ils changeront à nouveau.

De ce fait, il s’avère que chacune de ces phases possède son propre potentiel, différent du potentiel de la phase voisine. Il doit donc y avoir quelque chose entre eux qui ne conduise pas le courant électrique.
Cette différence de potentiel entre deux phases est appelée tension de ligne. De plus, ils ont une différence de potentiel par rapport à la terre – cette tension est appelée tension de phase.
Et donc, si la tension linéaire entre ces phases est de 380 V, alors la tension de phase est de 220 V. Il diffère d’une valeur de √3. Cette règle s'applique toujours pour n'importe quelle tension.

Sur cette base, si nous avons besoin d'une tension de 220 V, nous pouvons alors prendre un fil monophasé et un fil rigidement connecté à la terre. Et nous obtiendrons un réseau monophasé 220V. Si nous avons besoin d'un réseau 380V, nous ne pouvons prendre que 2 phases et connecter une sorte d'appareil de chauffage comme dans la vidéo.

Mais dans la plupart des cas, les trois phases sont utilisées. Tous les consommateurs puissants sont connectés à un réseau triphasé.

Conclusion

Qu'est-ce que le courant induit, le courant capacitif, le courant de démarrage, le courant à vide, les courants inverses, les courants vagabonds et bien plus encore, nous ne pouvons tout simplement pas l'examiner dans un seul article.

Après tout, la question du courant électrique est assez vaste et, pour l'examiner, elle a été créée toute une science ingénierie électrique. Mais nous espérons vraiment avoir pu expliquer dans un langage accessible les principaux aspects ce problème, et maintenant le courant électrique ne sera plus quelque chose d'effrayant et d'incompréhensible pour vous.

Si un conducteur isolé est placé dans un champ électrique $\overrightarrow(E)$, alors la force $\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)$ agira sur les charges libres $q$ dans le conducteur $\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)$ En conséquence, le conducteur a un mouvement à court terme de charges libres. Ce processus se terminera lorsque le propre champ électrique des charges apparaissant à la surface du conducteur compensera complètement le champ externe. Le champ électrostatique résultant à l’intérieur du conducteur sera nul.

Cependant, dans les conducteurs, sous certaines conditions, un mouvement ordonné continu de porteurs de charge électriques libres peut se produire.

Le mouvement dirigé des particules chargées est appelé courant électrique.

La direction du courant électrique est considérée comme la direction du mouvement des charges libres positives. Pour qu’un courant électrique existe dans un conducteur, il faut qu’un champ électrique y soit créé.

Une mesure quantitative du courant électrique est force actuelle$I$ est une grandeur physique scalaire, égal au rapport charge $\Delta q$ transférée à travers la section transversale du conducteur (Fig. 1.8.1) pendant l'intervalle de temps $\Delta t$, à cet intervalle de temps :

$$I = \frac(\Delta q)(\Delta t) $$

Si l'intensité du courant et sa direction ne changent pas avec le temps, alors un tel courant est appelé permanent .

Dans le Système international d'unités (SI), le courant est mesuré en ampères (A). L'unité actuelle de 1 A est déterminée par l'interaction magnétique de deux conducteurs parallèles avec le courant.

Le courant électrique continu ne peut être créé que dans circuit fermé , dans lequel des porteurs de charges libres circulent le long de trajectoires fermées. Champ électrique dans différents points une telle chaîne est constante dans le temps. Par conséquent, le champ électrique dans un circuit à courant continu a le caractère d’un champ électrostatique gelé. Mais lorsqu’une charge électrique se déplace dans un champ électrostatique le long d’un chemin fermé, le travail effectué par les forces électriques est nul. Par conséquent, pour l'existence du courant continu, il est nécessaire de disposer d'un dispositif dans le circuit électrique capable de créer et de maintenir des différences de potentiel dans les sections du circuit en raison du travail des forces. origine non électrostatique. De tels appareils sont appelés Sources CC . Les forces d'origine non électrostatique agissant sur des porteurs de charge libres provenant de sources de courant sont appelées forces extérieures .

La nature des forces externes peut varier. Dans les cellules ou batteries galvaniques, ils résultent processus électrochimiques, dans les générateurs de courant continu, des forces externes surviennent lorsque les conducteurs se déplacent dans un champ magnétique. La source de courant dans le circuit électrique joue le même rôle que la pompe, nécessaire pour pomper le fluide dans un système hydraulique fermé. Sous l'influence de forces extérieures, les charges électriques se déplacent à l'intérieur de la source de courant contre forces de champ électrostatique, grâce auxquelles un courant électrique constant peut être maintenu dans un circuit fermé.

Lorsque des charges électriques se déplacent le long d’un circuit à courant continu, des forces externes agissant à l’intérieur des sources de courant effectuent un travail.

Une grandeur physique égale au rapport du travail $A_(st)$ des forces externes lors du déplacement d'une charge $q$ du pôle négatif de la source de courant au positif à la valeur de cette charge est appelée force électromotrice de la source (CEM) :

$$EMF=\varepsilon=\frac(A_(st))(q). $$

Ainsi, la FEM est déterminée par le travail effectué par des forces externes lors du déplacement d'une seule charge positive. La force électromotrice, comme la différence de potentiel, se mesure en Volts (V).

Lorsqu'une seule charge positive se déplace le long d'un circuit fermé à courant continu, le travail effectué par les forces externes est égal à la somme des forces électromotrices agissant dans ce circuit, et le travail effectué par le champ électrostatique est nul.

Un circuit CC peut être divisé en sections distinctes. Les zones où aucune force extérieure n'agit (c'est-à-dire les zones qui ne contiennent pas de sources de courant) sont appelées homogène . Les zones contenant des sources de courant sont appelées hétérogène .

Lorsqu'une seule charge positive se déplace le long d'une certaine section du circuit, le travail est effectué à la fois par des forces électrostatiques (Coulomb) et externes. Le travail des forces électrostatiques est égal à la différence de potentiel $\Delta \phi_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)$ entre les points initial (1) et final (2) de la section inhomogène . Le travail des forces extérieures est égal, par définition, à la force électromotrice $\mathcal(E)$ agissant dans une zone donnée. Le travail total est donc égal à

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E)$$

Taille U 12 est généralement appelé tension sur la section de chaîne 1-2. Dans le cas d'une zone homogène, la tension est égale à la différence de potentiel :

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)$$

Le physicien allemand G. Ohm a établi expérimentalement en 1826 que l'intensité du courant $I$ circulant à travers un conducteur métallique homogène (c'est-à-dire un conducteur dans lequel aucune force extérieure n'agit) est proportionnelle à la tension $U$ aux extrémités. du chef d'orchestre :

$$I = \frac(1)(R)U; \ : U = IR$$

où $R$ = const.

Taille R. habituellement appelé résistance électrique . Un conducteur avec une résistance électrique est appelé résistance . Ce rapport exprime La loi d'Ohm pour section homogène de la chaîne : Le courant dans un conducteur est directement proportionnel à la tension appliquée et inversement proportionnel à la résistance du conducteur.

L'unité SI de résistance électrique des conducteurs est Ohm (Ohm). Une résistance de 1 ohm possède une section du circuit dans laquelle un courant de 1 A se produit à une tension de 1 V.

Les conducteurs qui obéissent à la loi d'Ohm sont appelés linéaire . Dépendance graphique du courant $I$ sur la tension $U$ (ces graphiques sont appelés caractéristiques voltampère , abrégé en CVC) est représenté par une ligne droite passant par l'origine des coordonnées. Il convient de noter qu'il existe de nombreux matériaux et dispositifs qui n'obéissent pas à la loi d'Ohm, par exemple une diode semi-conductrice ou une lampe à décharge. Même avec des conducteurs métalliques, à des courants suffisamment élevés, un écart par rapport à la loi linéaire d’Ohm est observé, car la résistance électrique des conducteurs métalliques augmente avec l’augmentation de la température.

Pour une section d'un circuit contenant une force électromotrice, la loi d'Ohm s'écrit sous la forme suivante :

$$IR = U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E) = \Delta \phi_(12) + \mathcal(E)$$
$$\color(bleu)(I = \frac(U)(R))$$

Ce rapport est généralement appelé loi d'Ohm généralisée ou Loi d'Ohm pour une section non uniforme du circuit.

En figue. 1.8.2 montre un circuit CC fermé. Section de chaîne ( CD) est homogène.

Graphique 1.8.2.

Circuit CC

D'après la loi d'Ohm

$$IR = \Delta\phi_(cd)$$

Parcelle ( un B) contient une source de courant avec une FEM égale à $\mathcal(E)$.

D'après la loi d'Ohm pour une zone hétérogène,

$$Ir = \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

En additionnant les deux égalités, on obtient :

$$I(R+r) = \Delta\phi_(cd) + \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

Mais $\Delta\phi_(cd) = \Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab)$.

$$\color(bleu)(I=\frac(\mathcal(E))(R + r))$$

Cette formule exprime Loi d'Ohm pour un circuit complet : l'intensité du courant dans le circuit complet est égale à la force électromotrice de la source divisée par la somme des résistances des sections homogènes et inhomogènes du circuit (résistance interne de la source).

Résistance r zone hétérogène sur la Fig. 1.8.2 peut être considéré comme résistance interne de la source de courant . Dans ce cas, la zone ( un B) En figue. 1.8.2 est la partie interne de la source. Si les points un Et b court-circuité avec un conducteur dont la résistance est faible par rapport à la résistance interne de la source ($R\ \ll r$), alors le circuit circulera courant de court-circuit

$$I_(kz)=\frac(\mathcal(E))(r)$$

Le courant de court-circuit est le courant maximum qui peut être obtenu à partir d'une source donnée avec une force électromotrice $\mathcal(E)$ et une résistance interne $r$. Pour les sources à faible résistance interne, le courant de court-circuit peut être très élevé et provoquer la destruction du circuit électrique ou de la source. Par exemple, les batteries au plomb utilisées dans les automobiles peuvent avoir des courants de court-circuit de plusieurs centaines d’ampères. Les courts-circuits dans les réseaux d'éclairage alimentés par des sous-stations (en milliers d'ampères) sont particulièrement dangereux. Pour éviter les effets destructeurs de courants aussi importants, des fusibles ou des disjoncteurs spéciaux sont inclus dans le circuit.

Dans certains cas, pour éviter des valeurs dangereuses de courant de court-circuit, une résistance externe est connectée en série à la source. Puis la résistance r est égal à la somme de la résistance interne de la source et de la résistance externe, et lors d'un court-circuit, l'intensité du courant ne sera pas excessivement élevée.

Si le circuit externe est ouvert, alors $\Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab) = \mathcal(E)$, c'est-à-dire que la différence de potentiel aux pôles d'une batterie ouverte est égale à sa emf.

Si la résistance de charge externe R. allumé et le courant circule à travers la batterie je, la différence de potentiel à ses pôles devient égale

$$\Delta \phi_(ba) = \mathcal(E) - Ir$$

En figue. 1.8.3 montre une représentation schématique d'une source de courant continu avec une force électromotrice égale à $\mathcal(E)$ et une résistance interne r en trois modes : « ralenti », fonctionnement en charge et mode court-circuit (court-circuit). L'intensité $\overrightarrow(E)$ du champ électrique à l'intérieur de la batterie et les forces agissant sur les charges positives sont indiquées :$\overrightarrow(F)_(e)$ - force électrique et $\overrightarrow( F)_(st )$ est une force extérieure. En mode court-circuit, le champ électrique à l’intérieur de la batterie disparaît.

Pour mesurer les tensions et les courants dans les circuits électriques à courant continu, des instruments spéciaux sont utilisés - voltmètres Et ampèremètres.

Voltmètre conçu pour mesurer la différence de potentiel appliquée à ses bornes. Il se connecte parallèle la section du circuit où la différence de potentiel est mesurée. Tout voltmètre a une résistance interne $R_(V)$. Pour que le voltmètre n'introduise pas de redistribution notable des courants lorsqu'il est connecté au circuit à mesurer, sa résistance interne doit être grande par rapport à la résistance de la section du circuit à laquelle il est connecté. Pour le circuit représenté sur la Fig. 1.8.4, cette condition s’écrit :

$$R_(B)\gg R_(1)$$

Cette condition signifie que le courant $I_(V) = \Delta \phi_(cd) / R_(V)$ circulant dans le voltmètre est bien inférieur au courant $I = \Delta \phi_(cd) / R_ (1 )$, qui traverse la section testée du circuit.

Puisqu’il n’y a aucune force externe agissant à l’intérieur du voltmètre, la différence de potentiel à ses bornes coïncide, par définition, avec la tension. On peut donc dire qu’un voltmètre mesure la tension.

Ampèremètre conçu pour mesurer le courant dans un circuit. L'ampèremètre est connecté en série à un circuit ouvert afin que tout le courant mesuré le traverse. L'ampèremètre a également une certaine résistance interne $R_(A)$. Contrairement à un voltmètre, la résistance interne d'un ampèremètre doit être assez faible par rapport à la résistance totale de l'ensemble du circuit. Pour le circuit de la Fig. 1.8.4 La résistance de l'ampèremètre doit satisfaire à la condition

$$R_(A) \ll (r + R_(1) + R(2))$$

de sorte que lorsque l'ampèremètre est allumé, le courant dans le circuit ne change pas.

Les instruments de mesure - voltmètres et ampèremètres - sont de deux types : à aiguille (analogique) et numérique. Les compteurs électriques numériques sont des appareils électroniques complexes. En règle générale, les instruments numériques offrent une précision de mesure plus élevée.

Le courant et la tension sont des paramètres quantitatifs utilisés dans schémas électriques. Le plus souvent, ces quantités évoluent avec le temps, sinon le fonctionnement du circuit électrique n'aurait aucun sens.

Tension

Classiquement, la tension est indiquée par la lettre "U". Le travail nécessaire pour déplacer une unité de charge d’un point de faible potentiel à un point de potentiel élevé correspond à la tension entre ces deux points. En d’autres termes, il s’agit de l’énergie libérée après qu’une unité de charge passe d’un potentiel élevé à un potentiel faible.

La tension peut également être appelée différence de potentiel, ainsi que force électromotrice. Ce paramètre est mesuré en volts. Pour déplacer 1 coulomb de charge entre deux points ayant une tension de 1 volt, il faut effectuer 1 joule de travail. Les Coulombs mesurent les charges électriques. 1 coulomb équivaut à la charge de 6x10 18 électrons.

La tension est divisée en plusieurs types, selon les types de courant.

Pression constante . Il est présent dans les circuits électrostatiques et à courant continu.
Tension alternative . Ce type de tension se retrouve dans les circuits à courants sinusoïdaux et alternatifs. Dans le cas d'un courant sinusoïdal, les caractéristiques de tension suivantes sont prises en compte :
amplitude des fluctuations de tension– c'est son écart maximum par rapport à l'axe des x ;
tension instantanée, qui s'exprime à un moment donné ;
tension efficace, est déterminé par le travail actif effectué au 1er demi-cycle ;
tension redressée moyenne, déterminé par l'amplitude de la tension redressée sur une période harmonique.

Lors du transport d'électricité via des lignes aériennes, la conception des supports et leurs dimensions dépendent de l'amplitude de la tension appliquée. La tension entre phases est appelée tension de ligne , et la tension entre la terre et chaque phase est tension de phase . Cette règle s'applique à tous les types de lignes aériennes. En Russie, dans les réseaux électriques domestiques, la norme est la tension triphasée avec une tension linéaire de 380 volts et une tension de phase de 220 volts.

Électricité

Le courant dans un circuit électrique est la vitesse de déplacement des électrons en un certain point, mesurée en ampères, et désignée dans les diagrammes par la lettre « je" Des unités dérivées d'ampère avec les préfixes correspondants milli-, micro-, nano, etc. sont également utilisées. Un courant de 1 ampère est généré en déplaçant une unité de charge de 1 coulomb en 1 seconde.

On considère classiquement que le courant circule dans le sens du potentiel positif vers le négatif. Cependant, le cours de physique montre que l’électron se déplace dans la direction opposée.

Vous devez savoir que la tension est mesurée entre 2 points du circuit et que le courant circule à travers un point spécifique du circuit ou à travers son élément. Par conséquent, si quelqu’un utilise l’expression « tension dans la résistance », alors c’est incorrect et analphabète. Mais nous parlons souvent de tension à un certain point du circuit. Il s'agit de la tension entre la terre et ce point.

La tension est générée par l'exposition à des charges électriques dans les générateurs et autres appareils. Le courant est créé en appliquant une tension à deux points d'un circuit.

Pour comprendre ce que sont le courant et la tension, il serait plus correct de les utiliser. Sur celui-ci, vous pouvez voir le courant et la tension, qui changent leurs valeurs au fil du temps. En pratique, les éléments d'un circuit électrique sont reliés par des conducteurs. A certains points, les éléments du circuit ont leur propre valeur de tension.

Le courant et la tension obéissent aux règles :

La somme des courants entrant dans un point est égale à la somme des courants sortant de ce point (règle de conservation des charges). Cette règle est la loi de Kirchhoff pour le courant. Le point d’entrée et de sortie du courant dans ce cas est appelé nœud. Un corollaire de cette loi est l'énoncé suivant : dans un circuit électrique en série d'un groupe d'éléments, la valeur du courant est la même en tous points.
DANS circuit parallèleéléments, la tension sur tous les éléments est la même. En d’autres termes, la somme des chutes de tension dans un circuit fermé est nulle. Cette loi de Kirchhoff s'applique aux contraintes.
Le travail effectué par unité de temps par un circuit (puissance) s'exprime comme suit : P = U*I. La puissance est mesurée en watts. 1 joule de travail effectué en 1 seconde équivaut à 1 watt. L'énergie est distribuée sous forme de chaleur, dépensée pour effectuer des travaux mécaniques (dans les moteurs électriques) et convertie en rayonnement divers types, s'accumule dans des conteneurs ou des batteries. Lors de la conception de systèmes électriques complexes, l’un des défis est la charge thermique du système.

Caractéristiques du courant électrique

Une condition préalable à l'existence de courant dans un circuit électrique est un circuit fermé. Si le circuit est coupé, le courant s'arrête.

Tout le monde en génie électrique fonctionne sur ce principe. Ils coupent le circuit électrique à l'aide de contacts mécaniques mobiles et arrêtent ainsi le flux de courant, éteignant ainsi l'appareil.

Dans l’industrie de l’énergie, le courant électrique se produit à l’intérieur de conducteurs de courant, qui se présentent sous la forme de barres omnibus et d’autres pièces conductrices de courant.

Il existe également d'autres moyens de créer un courant interne dans :

Liquides et gaz dus au mouvement des ions chargés.
Vide, gaz et air par émission thermoionique.
, en raison du mouvement des porteurs de charge.

Conditions d'apparition du courant électrique

Chauffage des conducteurs (pas des supraconducteurs).
Application de la différence de potentiel aux porteurs de charge.
Une réaction chimique qui libère de nouvelles substances.
L'effet d'un champ magnétique sur un conducteur.

Formes d'onde actuelles

Ligne droite.
Onde sinusoïdale harmonique variable.
Un méandre, semblable à une onde sinusoïdale, mais ayant coins pointus(parfois les coins peuvent être lissés).
Forme pulsée d'une seule direction, avec une amplitude variant de zéro à la plus grande valeur selon une certaine loi.

Types de travail du courant électrique

Rayonnement lumineux créé par les appareils d'éclairage.
Générer de la chaleur à l'aide d'éléments chauffants.
Travaux mécaniques (rotation de moteurs électriques, fonctionnement d'autres appareils électriques).
Création de rayonnement électromagnétique.

Phénomènes négatifs provoqués par le courant électrique

Surchauffe des contacts et des pièces sous tension.
L'apparition de courants de Foucault dans les noyaux des appareils électriques.
Rayonnement électromagnétique dans l'environnement extérieur.

Lors de la conception, les créateurs d'appareils électriques et de divers circuits doivent prendre en compte les propriétés ci-dessus du courant électrique dans leurs conceptions. Par exemple, les effets nocifs des courants de Foucault dans les moteurs électriques, les transformateurs et les générateurs sont réduits grâce à la fusion des noyaux utilisés pour laisser passer les flux magnétiques. Le laminage du noyau n'est pas sa fabrication à partir d'une seule pièce de métal, mais à partir d'un ensemble de fines plaques individuelles d'acier électrique spécial.

Mais d'un autre côté, les courants de Foucault sont utilisés pour faire fonctionner des fours à micro-ondes et des fours fonctionnant sur le principe de l'induction magnétique. Par conséquent, nous pouvons dire que les courants de Foucault sont non seulement nocifs, mais aussi bénéfiques.

Le courant alternatif avec un signal sous forme de sinusoïde peut différer en fréquence d'oscillations par unité de temps. Dans notre pays, la fréquence industrielle du courant électrique est standard et égale à 50 hertz. Dans certains pays, une fréquence actuelle de 60 hertz est utilisée.

À diverses fins en génie électrique et en génie radio, d'autres valeurs de fréquence sont utilisées :

Signaux basse fréquence avec une fréquence de courant inférieure.
Signaux haute fréquence bien supérieurs à la fréquence du courant industriel.

On pense que le courant électrique résulte du mouvement des électrons à l’intérieur d’un conducteur, c’est pourquoi on l’appelle courant de conduction. Mais il existe un autre type de courant électrique, appelé convection. Cela se produit lorsque des macrocorps chargés se déplacent, par exemple des gouttes de pluie.

Courant électrique dans les métaux

Le mouvement des électrons lorsqu’ils sont soumis à une force constante est comparé à celui d’un parachutiste descendant au sol. Dans ces deux cas, un mouvement uniforme se produit. La force de gravité agit sur le parachutiste et la force de résistance de l'air s'y oppose. Le mouvement des électrons est affecté par la force du champ électrique et les ions des réseaux cristallins résistent à ce mouvement. vitesse moyenne les électrons atteignent une valeur constante, tout comme la vitesse du parachutiste.

Dans un conducteur métallique, la vitesse de déplacement d'un électron est de 0,1 mm par seconde et la vitesse du courant électrique est d'environ 300 000 km par seconde. En effet, le courant électrique ne circule que là où une tension est appliquée aux particules chargées. On y parvient donc grande vitesse flux de courant.

Lorsque les électrons se déplacent dans un réseau cristallin, le modèle suivant existe. Les électrons n'entrent pas en collision avec tous les ions entrants, mais seulement avec un dixième d'entre eux. Ceci s’explique par les lois de la mécanique quantique, qui peuvent être simplifiées comme suit.

Le mouvement des électrons est entravé par les gros ions qui offrent une résistance. Ceci est particulièrement visible lorsque les métaux sont chauffés, lorsque les ions lourds « oscillent », augmentent en taille et réduisent la conductivité électrique des réseaux cristallins conducteurs. Par conséquent, lorsque les métaux sont chauffés, leur résistance augmente toujours. À mesure que la température diminue, la conductivité électrique augmente. Lorsque la température du métal descend à zéro absolu un effet de supraconductivité peut être obtenu.