Kaj je aktualno v fiziki. Kaj je električni tok

29.09.2019

Električni tok je urejeno gibanje nabitih delcev.

2. Pod kakšnimi pogoji nastane električni tok?

Električni tok nastane, če obstajajo prosti naboji, pa tudi kot posledica delovanja zunanjega električnega polja. Da bi dobili električno polje, je dovolj, da ustvarimo potencialno razliko med dvema točkama prevodnika.

3. Zakaj je gibanje nabitih delcev v prevodniku brez zunanjega električnega polja kaotično?

Če zunanjega električnega polja ni, potem tudi dodatne komponente hitrosti, ki bi bila usmerjena vzdolž jakosti električnega polja, ni, kar pomeni, da so vse smeri gibanja delcev enake.

4. Kako se razlikuje gibanje nabitih delcev v prevodniku v odsotnosti in prisotnosti zunanjega električnega polja?

V odsotnosti električnega polja je gibanje nabitih delcev kaotično, v njegovi prisotnosti pa je gibanje delcev posledica kaotičnih in translacijskih gibanj.

5. Kako se izbere smer električnega toka? V katero smer se gibljejo elektroni v kovinskem prevodniku, po katerem teče električni tok?

Smer električnega toka se šteje za smer gibanja pozitivno nabitih delcev. V kovinskem prevodniku se elektroni gibljejo v nasprotni smeri od smeri toka.

Brez nekaj osnovnega znanja o elektriki si je težko predstavljati, kako električni aparati delujejo, zakaj sploh delujejo, zakaj je treba priklopiti televizor, da deluje, in zakaj svetilka potrebuje le majhno baterijo, da sveti v temi. .

In tako bomo razumeli vse po vrsti.

Elektrika

Elektrika- To naravni pojav, ki potrjuje obstoj, interakcijo in gibanje električnih nabojev. Elektriko so prvič odkrili že v 7. stoletju pr. Grški filozof Thales. Thales je opazil, da če kos jantarja podrgnemo po volni, začne privlačiti lahke predmete. Jantar je v stari grščini elektron.

Takole si predstavljam Talesa, kako sedi, drgne kos jantarja po svojem himationu (to so volnena vrhnja oblačila starih Grkov), nato pa z začudenim pogledom opazuje, kako se privlačijo lasje, ostanki niti, perje in ostanki papirja. do jantarja.

Ta pojav se imenuje statična elektrika. To izkušnjo lahko ponovite. Če želite to narediti, navadno plastično ravnilo temeljito podrgnite z volneno krpo in ga približajte majhnim koščkom papirja.

Treba je opozoriti, da ta pojav že dolgo ni bil raziskan. In šele leta 1600 je angleški naravoslovec William Gilbert v svojem eseju "O magnetu, magnetnih telesih in velikem magnetu - Zemlji" uvedel izraz elektrika. V svojem delu je opisal svoje poskuse z naelektrenimi predmeti in ugotovil, da se lahko naelektrijo tudi druge snovi.

Nato tri stoletja najnaprednejši znanstveniki na svetu raziskujejo elektriko, pišejo razprave, oblikujejo zakone, izumljajo električne stroje in šele leta 1897 Joseph Thomson odkrije prvega materialnega nosilca elektrike – elektron, delec, ki povzroča električne procese v možne snovi.

Elektron– to je elementarni delec, ima negativni naboj približno enak -1,602·10 -19 Cl (obesek). Določeno e oz e –.

Napetost

Da bi se nabiti delci premaknili z enega pola na drugega, je potrebno ustvariti med poli potencialna razlika ali - Napetost. Napetostna enota – volt (IN oz V). V formulah in izračunih je napetost označena s črko V . Da bi dobili napetost 1 V, morate med poloma prenesti naboj 1 C, pri tem pa opravite delo 1 J (Joule).

Zaradi jasnosti si predstavljajte rezervoar za vodo, ki se nahaja na določeni višini. Iz rezervoarja pride cev. Voda pod naravnim pritiskom zapusti rezervoar skozi cev. Strinjajmo se, da je voda električni naboj, višina vodnega stolpca (tlak) je Napetost, hitrost vodnega toka pa je elektrika .

Torej, več kot je vode v rezervoarju, višji je tlak. Podobno z električnega vidika velja, da večji kot je naboj, višja je napetost.

Začnemo odvajati vodo, tlak se bo zmanjšal. Tisti. Nivo napolnjenosti pade - napetost se zmanjša. Ta pojav je mogoče opaziti v svetilki; žarnica postane temnejša, ko se baterije izpraznijo. Upoštevajte, da nižji kot je vodni tlak (napetost), nižji je pretok vode (tok).

Elektrika

Elektrika- To fizični proces smerno gibanje nabitih delcev pod vplivom elektromagnetnega polja od enega pola sklenjenega električnega kroga do drugega. Delci, ki nosijo naboj, lahko vključujejo elektrone, protone, ione in luknje. Brez sklenjenega tokokroga tok ni mogoč. Delci, ki se lahko prenašajo električni naboji ne obstajajo v vseh snoveh, imenujemo tiste, v katerih obstajajo prevodniki in polprevodniki. In snovi, v katerih ni takih delcev - dielektriki.

Trenutna enota – Amper (A). V formulah in izračunih je moč toka označena s črko jaz . Tok 1 ampera nastane, ko gre naboj 1 Coulomb (6,241·10 18 elektronov) skozi točko v električnem tokokrogu v 1 sekundi.

Ponovno poglejmo našo analogijo voda-elektrika. Šele zdaj vzemimo dva rezervoarja in ju napolnimo z enako količino vode. Razlika med rezervoarji je premer izhodne cevi.

Odprimo pipe in pazimo, da je pretok vode iz levega rezervoarja večji (premer cevi je večji) kot iz desnega. Ta izkušnja je jasen dokaz odvisnosti hitrosti pretoka od premera cevi. Zdaj pa poskusimo izenačiti oba toka. Če želite to narediti, dodajte vodo (polnilo) v desni rezervoar. To bo povečalo pritisk (napetost) in povečalo pretok (tok). V električnem tokokrogu se igra premer cevi odpornost.

Izvedeni poskusi jasno dokazujejo razmerje med Napetost, električni šok in odpornost. O uporu bomo več govorili malo kasneje, zdaj pa še nekaj besed o lastnostih električnega toka.

Če napetost ne spremeni svoje polaritete, plus na minus, in tok teče v eno smer, potem je to D.C. in temu primerno stalen pritisk. Če vir napetosti spremeni polarnost in tok teče najprej v eno smer, nato v drugo, je to že izmenični tok in AC napetost. Najvišje in najmanjše vrednosti (označene na grafu kot Io ) - To amplituda ali vrednosti vršnega toka. V domačih vtičnicah napetost spremeni polarnost 50-krat na sekundo, tj. tok zaniha sem in tja, se izkaže, da je frekvenca teh nihanj 50 Hertzov ali krajše 50 Hz. V nekaterih državah, na primer v ZDA, je frekvenca 60 Hz.

Odpornost

Električni upor– fizikalna količina, ki določa lastnost prevodnika, da ovira (se upira) prehajanju toka. Enota upora – Ohm(označeno Ohm ali grška črka omega Ω ). V formulah in izračunih je odpornost označena s črko R . Prevodnik ima upornost 1 ohm, na njegove poli pa deluje napetost 1 V in teče tok 1 A.

Prevodniki različno prevajajo tok. Njihovo prevodnost odvisno predvsem od materiala prevodnika, pa tudi od preseka in dolžine. Večji kot je presek, večja je prevodnost, a daljša kot je dolžina, manjša je prevodnost. Upornost je inverzni koncept prevodnosti.

Na primeru vodovodnega modela lahko upornost predstavimo kot premer cevi. Manjši kot je, slabša je prevodnost in večji je upor.

Upor prevodnika se kaže na primer v segrevanju prevodnika, ko po njem teče tok. Poleg tega, večji kot je tok in manjši kot je presek prevodnika, močnejše je ogrevanje.

Moč

Električna energija je fizikalna količina, ki določa stopnjo pretvorbe električne energije. Na primer, že večkrat ste slišali: "žarnica ima toliko vatov." To je moč, ki jo porabi žarnica na enoto časa med delovanjem, tj. pretvarjanje ene vrste energije v drugo z določeno hitrostjo.

Za vire električne energije, kot so generatorji, je prav tako značilna moč, vendar že proizvedena na časovno enoto.

Napajalna enota – Watt(označeno W oz W). V formulah in izračunih je moč označena s črko p . Za tokokroge izmeničnega toka se uporablja izraz Polna moč, enota - Volt-amperi (VA oz V·A), označeno s črko S .

In končno približno Električni krog. To vezje je določen niz električnih komponent, ki lahko prevajajo električni tok in so med seboj ustrezno povezane.

Kar vidimo na tej sliki, je osnovna električna naprava (svetilka). Pod napetostjo U(B) vir električne energije (baterije) skozi vodnike in druge komponente z različnimi upornostmi 4,59 (220 glasov)

Kako se imenuje jakost toka? To vprašanje se je pojavilo v naših glavah več kot enkrat ali dvakrat v procesu razprave o različnih vprašanjih. Zato smo se odločili, da se z njim podrobneje ukvarjamo in ga bomo poskušali narediti čim bolj dostopnega brez velika količina formule in nejasni izrazi.

Torej, kaj je električni tok? To je usmerjen tok nabitih delcev. Toda kaj so ti delci, zakaj se nenadoma premikajo in kje? Vse to ni zelo jasno. Zato si oglejmo to vprašanje podrobneje.

Začnimo z vprašanjem o nabitih delcih, ki so pravzaprav nosilci električnega toka. IN različne snovi so drugačni. Na primer, kaj je električni tok v kovinah? To so elektroni. V plinih so elektroni in ioni; v polprevodnikih - luknje; v elektrolitih pa so to kationi in anioni.

Ti delci imajo določen naboj. Lahko je pozitiven ali negativen. Opredelitev pozitivnega in negativnega naboja je podana pogojno. Delci z enakim nabojem se odbijajo, delci z enakim nabojem pa se privlačijo.

Na podlagi tega se izkaže za logično, da se bo gibanje zgodilo od pozitivnega pola do negativnega.
In večje kot je število nabitih delcev, prisotnih na enem nabitem polu, večje število se bo premaknilo na pol z drugačnim predznakom. Toda vse to je globoka teorija, zato vzemimo konkreten primer.
Recimo, da imamo vtičnico, na katero ni priključena nobena naprava. Je tam tok? Za odgovor na to vprašanje moramo vedeti, kaj sta napetost in tok.
Da bo to bolj jasno, poglejmo to na primeru cevi z vodo. Preprosto povedano, cev je naša žica. Prerez te cevi je napetost električnega omrežja, hitrost toka pa naš električni tok. Vrnimo se k našemu outletu.

Če potegnemo analogijo s cevjo, potem je vtičnica brez priključenih električnih naprav cev, zaprta z ventilom. To pomeni, da tam ni električnega toka. Toda tam je napetost.
In če je v cevi, da se pojavi tok, potrebno odpreti ventil, potem morate za ustvarjanje električnega toka v prevodniku priključiti obremenitev. To lahko storite tako, da vtaknete vtič v vtičnico.

Seveda gre za zelo poenostavljeno predstavitev problematike in nekateri strokovnjaki me bodo kritizirali in opozarjali na netočnosti.

Ampak daje predstavo o tem, kaj se imenuje električni tok.

Enosmerni in izmenični tok

Naslednje vprašanje, ki ga predlagamo za razumevanje, je: kaj je izmenični in enosmerni tok. Navsezadnje mnogi teh pojmov ne razumejo povsem pravilno. Konstanta je tok, ki s časom ne spreminja svoje velikosti in smeri. Pogosto se pulzirajoči tok šteje tudi za konstanten, vendar se pogovorimo o vsem po vrsti.
Za enosmerni tok je značilno, da se enako število električnih nabojev nenehno zamenjuje v eno smer. Smer je od enega pola do drugega.

Opomba! Pri določanju smeri enosmernega toka lahko pride do nesoglasij. Če tok nastane zaradi gibanja pozitivno nabitih delcev, potem njegova smer ustreza gibanju delcev. Če tok nastane zaradi gibanja negativno nabitih delcev, potem velja, da je njegova smer nasprotna gibanju delcev.

Toda koncept enosmernega toka pogosto vključuje tako imenovani pulzirajoči tok. Od konstante se razlikuje le po tem, da se njena vrednost skozi čas spreminja, hkrati pa ne spreminja predznaka.
Recimo, da imamo tok 5A. Za enosmerni tok bo ta vrednost ostala nespremenjena skozi celotno časovno obdobje. Za pulzirajoči tok bo v enem časovnem obdobju 5, v drugem 4 in v tretjem 4,5. Toda hkrati se v nobenem primeru ne zmanjša pod ničlo in ne spremeni svojega znaka.

Ta valoviti tok je zelo pogost pri pretvorbi AC v DC. Točno to je pulzirajoči tok, ki ga proizvaja vaš pretvornik ali diodni most v elektroniki.
Ena od glavnih prednosti enosmernega toka je, da ga je mogoče shraniti. To lahko storite sami, z uporabo baterij ali kondenzatorjev.

Izmenični tok

Da bi razumeli, kaj je izmenični tok, si moramo predstavljati sinusni val. Ravna krivulja najbolje označuje spremembo enosmernega toka in je standard.

	Tako kot sinusni val tudi izmenični tok s konstantno frekvenco spremeni svojo polarnost. V enem obdobju je pozitiven, v drugem pa negativen.
	Zato neposredno v prevodniku gibanja ni nosilcev naboja kot takih. Da bi to razumeli, si predstavljajte val, ki drvi na obalo. Premika se v eno smer in nato v nasprotno smer. Posledično se zdi, da se voda premika, vendar ostane na mestu.
	Na podlagi tega je za izmenični tok zelo pomemben dejavnik postane njegova stopnja spremembe polarnosti. Ta dejavnik se imenuje frekvenca. Višja kot je ta frekvenca, pogosteje na sekundo se spremeni polarnost izmeničnega toka. V naši državi obstaja standard za to vrednost - to je 50Hz. To pomeni, da izmenični tok spremeni svojo vrednost iz ekstremno pozitivne v ekstremno negativno 50-krat na sekundo.
	Vendar ne obstaja samo izmenični tok s frekvenco 50 Hz. Številne naprave delujejo na izmenični tok različnih frekvenc. Navsezadnje lahko s spreminjanjem frekvence izmeničnega toka spremenite hitrost vrtenja motorjev. Dobite lahko tudi višjo zmogljivost obdelave podatkov - na primer v naborih čipov vaših računalnikov in še veliko več.

Opomba! Na primeru navadne žarnice lahko jasno vidite, kaj je izmenični in enosmerni tok. To je še posebej vidno na diodnih sijalkah nizke kakovosti, če pa dobro pogledate, lahko to vidite tudi na navadni žarnici z žarilno nitko. Pri delovanju na enosmerni tok svetijo z enakomerno svetlobo, pri delovanju na izmenični tok pa komaj opazno utripajo.

Kaj je moč in gostota toka?

Pa smo ugotovili, kaj je stalni in kaj izmenični tok. Verjetno pa imate še veliko vprašanj. Poskusili jih bomo upoštevati v tem delu našega članka.

Iz tega videa lahko izveste več o tem, kaj je moč.

In prvo od teh vprašanj bo: kaj je električna napetost? Napetost je potencialna razlika med dvema točkama.

Takoj se pojavi vprašanje, kaj je potencial? Zdaj me bodo strokovnjaki spet kritizirali, a recimo takole: to je presežek nabitih delcev. To pomeni, da obstaja ena točka, kjer je presežek nabitih delcev - in obstaja druga točka, kjer je več ali manj teh nabitih delcev. Ta razlika se imenuje napetost. Izmeri se v voltih (V).

Vzemimo za primer navadno vtičnico. Verjetno vsi veste, da je njegova napetost 220V. V vtičnici imamo dve žici in napetost 220V pomeni, da je potencial ene žice večji od potenciala druge žice ravno za teh 220V.
Razumeti moramo koncept napetosti, da bi razumeli, kaj je moč električnega toka. Čeprav s strokovnega vidika ta trditev ni povsem pravilna. Električni tok nima moči, ampak je njen derivat.

Da bi razumeli to točko, se vrnimo k naši analogiji z vodovodno cevjo. Kot se spomnite, je prerez te cevi napetost, pretok v cevi pa tok. Torej: moč je količina vode, ki teče skozi to cev.
Logično je domnevati, da pri enakih prerezih, to je napetostih, močnejši kot je tok, to je električni tok, večji je tok vode skozi cev. V skladu s tem se bo več moči preneslo na potrošnika.
Če pa lahko po analogiji z vodo prenesemo strogo določeno količino vode skozi cev določenega prereza, saj voda ni stisnjena, potem je z električnim tokom vse drugače. Skozi kateri koli prevodnik lahko teoretično prenesemo katerikoli tok. Toda praktično bo prevodnik z majhnim presekom pri visoki gostoti toka preprosto izgorel.

V zvezi s tem moramo razumeti, kaj je gostota toka. Grobo rečeno, to je število elektronov, ki se premaknejo skozi določen prečni prerez prevodnika na enoto časa.
Ta številka bi morala biti optimalna. Konec koncev, če vzamemo vodnik velikega prereza in skozi njega prenesemo majhen tok, potem bo cena takšne električne napeljave visoka. Hkrati, če vzamemo prevodnik majhnega prereza, se bo zaradi visoke gostote toka pregrel in hitro izgorel.
V zvezi s tem ima PUE ustrezen razdelek, ki vam omogoča izbiro vodnikov glede na ekonomsko gostoto toka.

Toda vrnimo se k konceptu, kaj je trenutna moč? Kot smo razumeli iz naše analogije, je z enakim presekom cevi prenesena moč odvisna samo od trenutne jakosti. Če pa se prerez naše cevi poveča, to je napetost, se bo v tem primeru pri enakih pretokih prenesla popolnoma drugačna količina vode. Enako je pri elektriki.

Višja kot je napetost, manj toka je potreben za prenos enake moči. Zato se visokonapetostni daljnovodi uporabljajo za prenos velike količine energije na velike razdalje.

Navsezadnje je vod s prečnim prerezom žice 120 mm 2 za napetost 330 kV sposoben prenesti večkrat več moči v primerjavi z vodom enakega prereza, vendar z napetostjo 35 kV. Čeprav bo tisto, kar se imenuje trenutna moč, v njih enako.

Metode prenosa električnega toka

Ugotovili smo, kaj sta tok in napetost. Čas je, da ugotovimo, kako distribuirati električni tok. To vam bo omogočilo, da se boste v prihodnosti počutili bolj samozavestni pri delu z električnimi napravami.

Kot smo že povedali, je tok lahko izmeničen in stalen. V industriji in v vaših vtičnicah se uporablja izmenični tok. Pogostejši je, ker se lažje prenaša po žicah. Dejstvo je, da je spreminjanje enosmerne napetosti precej težko in drago, spreminjanje izmenične napetosti pa je mogoče izvesti z navadnimi transformatorji.

Opomba! Noben AC transformator ne bo deloval na enosmerni tok. Ker so lastnosti, ki jih uporablja, lastne samo izmeničnemu toku.

Toda to sploh ne pomeni, da se enosmerni tok ne uporablja nikjer. Ima drugo uporabna lastnina, ki ni neločljivo povezana s spremenljivko. Lahko se kopiči in skladišči.
V zvezi s tem se enosmerni tok uporablja v vseh prenosnih električnih napravah, vključno z železniški promet, kot tudi v nekaterih industrijskih objektih, kjer je potrebno ohraniti funkcionalnost tudi po popolni izpadu napajanja.

Najpogostejši način shranjevanja električne energije so baterije. Imajo posebne kemijske lastnosti, ki vam omogoča kopičenje in nato, če je potrebno, sprostitev enosmernega toka.
Vsaka baterija ima strogo omejeno količino akumulirane energije. To se imenuje kapaciteta baterije in je delno določena z udarnim tokom baterije.
Kaj je začetni tok baterije? To je količina energije, ki jo je baterija sposobna dostaviti v samem začetnem trenutku priključitve bremena. Dejstvo je, da se baterije glede na fizikalne in kemijske lastnosti razlikujejo po načinu sproščanja akumulirane energije.

Nekateri ljudje lahko dajo veliko naenkrat. Zaradi tega se bodo seveda hitro izpraznili. In slednje dajejo dolgo, a malo po malo. Poleg tega pomemben vidik Baterija lahko vzdržuje napetost.
Dejstvo je, da se, kot piše v navodilih, pri nekaterih baterijah, ko se njihova kapaciteta sprosti, njihova napetost postopoma zmanjšuje. In druge baterije so sposobne zagotoviti skoraj celotno kapaciteto z isto napetostjo. Na podlagi teh osnovnih lastnosti so izbrani ti hranilniki električne energije.
Za prenos enosmernega toka se v vseh primerih uporabljata dve žici. To je pozitivna in negativna vena. Rdeča in modra.

Izmenični tok

Toda z izmeničnim tokom je vse veliko bolj zapleteno. Prenaša se lahko po eni, dveh, treh ali štirih žicah. Da bi to pojasnili, moramo razumeti vprašanje: kaj je trifazni tok?

Naš izmenični tok proizvaja generator. Običajno imajo skoraj vsi trifazno strukturo. To pomeni, da ima generator tri izhode in na vsakega od teh izhodov se napaja električni tok, ki se od prejšnjih razlikuje za kot 120⁰.

Da bi to razumeli, se spomnimo naše sinusoide, ki je model za opis izmeničnega toka in po zakonitostih katerega se spreminja. Vzemimo tri faze - "A", "B" in "C" in vzemimo določeno točko v času. Na tej točki je sinusni val faze "A" na ničelni točki, sinusni val faze "B" je na skrajni pozitivni točki in sinusni val faze "C" je na skrajni negativni točki.
Vsako naslednjo časovno enoto se bo izmenični tok v teh fazah spremenil, vendar sinhrono. To pomeni, da bo po določenem času v fazi "A" negativen maksimum. V fazi "B" bo nič, v fazi "C" pa bo pozitiven maksimum. In čez nekaj časa se bodo spet spremenili.

Posledično se izkaže, da ima vsaka od teh faz svoj potencial, ki se razlikuje od potenciala sosednje faze. Zato mora biti med njima nekaj, kar ne prevaja električnega toka.
Ta potencialna razlika med dvema fazama se imenuje omrežna napetost. Poleg tega imajo potencialno razliko glede na tla - ta napetost se imenuje fazna napetost.
In tako, če je linearna napetost med tema fazama 380 V, potem je fazna napetost 220 V. Razlikuje se za vrednost √3. To pravilo vedno velja za katero koli napetost.

Na podlagi tega, če potrebujemo napetost 220 V, lahko vzamemo eno fazno žico in žico, ki je togo povezana s tlemi. In dobili bomo enofazno omrežje 220V. Če potrebujemo 380V omrežje, potem lahko vzamemo samo poljubni 2 fazi in priključimo nekakšno grelno napravo kot na videu.

Toda v večini primerov se uporabljajo vse tri faze. Vsi močni porabniki so priključeni na trifazno omrežje.

Zaključek

Kaj je inducirani tok, kapacitivni tok, začetni tok, tok brez obremenitve, tokovi negativnega zaporedja, blodeči tokovi in še veliko več, preprosto ne moremo obravnavati v enem članku.

Navsezadnje je vprašanje električnega toka precej obsežno in za njegovo obravnavo je bilo ustvarjeno cela znanost elektrotehnika. Vendar resnično upamo, da smo lahko glavne vidike razložili v dostopnem jeziku ta težava, in zdaj električni tok za vas ne bo nekaj strašljivega in nerazumljivega.

Če izoliran prevodnik postavimo v električno polje $\overrightarrow(E)$, bo sila $\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)$ delovala na proste naboje $q$ v prevodniku $\naddesna puščica(F) = q\naddesna puščica(E)$ Posledično pride v prevodniku do kratkotrajnega gibanja prostih nabojev. Ta proces se bo končal, ko lastno električno polje nabojev, ki nastanejo na površini prevodnika, popolnoma kompenzira zunanje polje. Nastalo elektrostatično polje znotraj prevodnika bo enako nič.

Vendar pa lahko v prevodnikih pod določenimi pogoji pride do neprekinjenega urejenega gibanja prostih nosilcev električnega naboja.

Usmerjeno gibanje nabitih delcev imenujemo električni tok.

Smer električnega toka se šteje za smer gibanja pozitivnih prostih nabojev. Da v prevodniku obstaja električni tok, mora biti v njem ustvarjeno električno polje.

Kvantitativno merilo električnega toka je jakost toka$I$ je skalarna fizikalna količina, enako razmerju naboj $\Delta q$, prenesen skozi presek prevodnika (slika 1.8.1) v časovnem intervalu $\Delta t$, v ta časovni interval:

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

Če se jakost toka in njegova smer s časom ne spreminjata, se imenuje tak tok trajno .

V mednarodnem sistemu enot (SI) se tok meri v amperih (A). Enota toka 1 A je določena z magnetno interakcijo dveh vzporednih prevodnikov s tokom.

Enosmerni električni tok se lahko ustvari samo v zaprt krog , v katerem prosti nosilci naboja krožijo po zaprtih trajektorijah. Električno polje v različne točke taka veriga je v času konstantna. Posledično ima električno polje v enosmernem tokokrogu značaj zamrznjenega elektrostatičnega polja. Ko pa se električni naboj premika v elektrostatičnem polju po zaprti poti, je delo, ki ga opravijo električne sile, enako nič. Zato je za obstoj enosmernega toka v električnem tokokrogu potrebna naprava, ki je sposobna ustvarjati in vzdrževati potencialne razlike v odsekih tokokroga zaradi dela sil neelektrostatični izvor. Takšne naprave se imenujejo DC viri . Sile neelektrostatičnega izvora, ki delujejo na proste nosilce naboja iz tokovnih virov, se imenujejo zunanje sile .

Narava zunanjih sil je lahko različna. V galvanskih členih ali baterijah nastanejo kot posledica elektrokemični procesi, v generatorjih enosmernega toka nastanejo zunanje sile, ko se prevodniki premikajo v magnetnem polju. Vir toka v električnem tokokrogu ima enako vlogo kot črpalka, ki je potrebna za črpanje tekočine v zaprtem hidravličnem sistemu. Pod vplivom zunanjih sil se električni naboji premikajo znotraj tokovnega vira proti elektrostatične poljske sile, zaradi katerih lahko v sklenjenem krogu vzdržujemo konstanten električni tok.

Ko se električni naboji premikajo vzdolž enosmernega tokokroga, zunanje sile, ki delujejo znotraj tokovnih virov, opravljajo delo.

Fizikalna količina, ki je enaka razmerju dela $A_(st)$ zunanjih sil pri premikanju naboja $q$ z negativnega pola tokovnega vira na pozitivni, se imenuje vrednost tega naboja. elektromotorna sila vira (EMF):

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

Tako je emf določen z delom, ki ga opravijo zunanje sile pri premikanju enega pozitivnega naboja. Elektromotorna sila se tako kot potencialna razlika meri v Volti (V).

Ko se en sam pozitivni naboj giblje vzdolž sklenjenega enosmernega tokokroga, je delo zunanjih sil enako vsoti emf, ki deluje v tem tokokrogu, delo elektrostatičnega polja pa je nič.

Tokokrog enosmernega toka lahko razdelimo na ločene odseke. Območja, kjer ne delujejo zunanje sile (tj. območja, ki ne vsebujejo tokovnih virov), se imenujejo homogena . Območja, ki vsebujejo tokovne vire, se imenujejo heterogena .

Ko se en sam pozitivni naboj premakne vzdolž določenega odseka tokokroga, delo opravijo elektrostatične (Coulombove) in zunanje sile. Delo elektrostatičnih sil je enako potencialni razliki $\Delta \phi_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)$ med začetno (1) in končno (2) točko nehomogenega odseka . Delo zunanjih sil je po definiciji enako elektromotorni sili $\mathcal(E)$, ki deluje na danem območju. Zato je celotno delo enako

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

Velikost U 12 se običajno imenuje Napetost na odseku verige 1-2. V primeru homogenega območja je napetost enaka potencialni razliki:

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

Nemški fizik G. Ohm je leta 1826 eksperimentalno ugotovil, da je jakost toka $I$, ki teče skozi homogeni kovinski prevodnik (tj. prevodnik, v katerem ne delujejo zunanje sile), sorazmerna z napetostjo $U$ na koncih dirigenta:

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

kjer $R$ = konst.

Velikost R navadno imenovani električni upor . Prevodnik z električnim uporom se imenuje upor . To razmerje izraža Ohmov zakon za homogeni del verige: Tok v prevodniku je premo sorazmeren z uporabljeno napetostjo in obratno sorazmeren z uporom prevodnika.

Enota SI za električni upor prevodnikov je Ohm (Ohm). Upor 1 ohma ima odsek vezja, v katerem pri napetosti 1 V nastane tok 1 A.

Prevodniki, ki upoštevajo Ohmov zakon, se imenujejo linearni . Grafična odvisnost toka $I$ od napetosti $U$ (takšni grafi se imenujejo volt-amperske karakteristike , skrajšano CVC) je prikazana z ravno črto, ki poteka skozi izhodišče. Treba je opozoriti, da obstaja veliko materialov in naprav, ki ne upoštevajo Ohmovega zakona, na primer polprevodniška dioda ali plinska svetilka. Tudi pri kovinskih vodnikih pri dovolj visokih tokovih opazimo odstopanje od Ohmovega linearnega zakona, saj električni upor kovinskih vodnikov narašča z naraščajočo temperaturo.

Za del vezja, ki vsebuje emf, je Ohmov zakon zapisan v naslednji obliki:

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

To razmerje se običajno imenuje posplošen Ohmov zakon oz Ohmov zakon za neenoten odsek vezja.

Na sl. 1.8.2 prikazuje zaprt enosmerni tokokrog. Verižni del ( CD) je homogena.

Slika 1.8.2.

DC vezje

Po Ohmovem zakonu

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

Plot ( ab) vsebuje tokovni vir z emf, ki je enak $\mathcal(E)$.

Po Ohmovem zakonu za heterogeno območje je

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

Če seštejemo obe enakosti, dobimo:

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

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

$$\barva(modra)(I=\frac(\mathcal(E))(R + r))$$

Ta formula izraža Ohmov zakon za popolno vezje : jakost toka v celotnem vezju je enaka elektromotorni sili vira, deljeni z vsoto uporov homogenih in nehomogenih odsekov vezja (notranji upor vira).

Odpornost r heterogeno območje na sl. 1.8.2 si lahko predstavljamo kot notranji upor tokovnega vira . V tem primeru je območje ( ab) na sl. 1.8.2 je notranji del vira. Če točke a in b kratko z vodnikom, katerega upor je majhen v primerjavi z notranjim uporom vira ($R\ \ll r$), potem bo vezje teklo tok kratkega stika

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

Tok kratkega stika je največji tok, ki ga lahko dobimo iz danega vira z elektromotorno silo $\mathcal(E)$ in notranjim uporom $r$. Pri virih z nizkim notranjim uporom je lahko tok kratkega stika zelo visok in povzroči uničenje električnega tokokroga ali vira. Na primer, svinčeno-kislinske baterije, ki se uporabljajo v avtomobilih, imajo lahko kratkostični tok več sto amperov. Posebej nevarni so kratki stiki v omrežjih razsvetljave, ki se napajajo iz transformatorskih postaj (na tisoče amperov). Da bi se izognili uničujočim učinkom tako velikih tokov, so v tokokrog vključene varovalke ali posebni odklopniki.

V nekaterih primerih je za preprečitev nevarnih vrednosti toka kratkega stika določen zunanji upor zaporedno povezan z virom. Potem odpor r je enak vsoti notranjega upora vira in zunanjega upora, pri kratkem stiku pa jakost toka ne bo pretirano velika.

Če je zunanje vezje odprto, potem $\Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab) = \mathcal(E)$, tj. potencialna razlika na polih odprte baterije je enaka njeni emf

Če zunanji upor obremenitve R vklopljen in tok teče skozi baterijo jaz, potencialna razlika na njegovih polih postane enaka

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

Na sl. 1.8.3 prikazuje shematski prikaz vira enosmernega toka z emf enako $\mathcal(E)$ in notranjim uporom r v treh načinih: "prosti tek", delovanje z obremenitvijo in način kratkega stika (kratek stik). Navedene so intenzivnost $\overrightarrow(E)$ električnega polja znotraj baterije in sile, ki delujejo na pozitivne naboje:$\overrightarrow(F)_(e)$ - električna sila in $\overrightarrow( F)_(st )$ je zunanja sila. V načinu kratkega stika električno polje znotraj baterije izgine.

Za merjenje napetosti in tokov v enosmernih električnih tokokrogih se uporabljajo posebni instrumenti - voltmetri in ampermetri.

Voltmeter zasnovan za merjenje potencialne razlike, uporabljene na njegovih sponkah. On povezuje vzporedno odsek vezja, kjer se meri potencialna razlika. Vsak voltmeter ima nekaj notranjega upora $R_(V)$. Da voltmeter ne povzroči opazne prerazporeditve tokov, ko je priključen na merjeno vezje, mora biti njegov notranji upor velik v primerjavi z uporom odseka vezja, na katerega je priključen. Za vezje, prikazano na sl. 1.8.4 je ta pogoj zapisan kot:

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

Ta pogoj pomeni, da je tok $I_(V) = \Delta \phi_(cd) / R_(V)$, ki teče skozi voltmeter, veliko manjši od toka $I = \Delta \phi_(cd) / R_ (1 )$, ki teče skozi testirani odsek tokokroga.

Ker znotraj voltmetra ne delujejo zunanje sile, potencialna razlika na njegovih sponkah po definiciji sovpada z napetostjo. Zato lahko rečemo, da voltmeter meri napetost.

Ampermeter zasnovan za merjenje toka v tokokrogu. Ampermeter je zaporedno povezan z odprtim tokokrogom, tako da ves izmerjeni tok teče skozi njega. Ampermeter ima tudi nekaj notranjega upora $R_(A)$. Za razliko od voltmetra mora biti notranji upor ampermetra precej majhen v primerjavi s celotnim uporom celotnega vezja. Za vezje na sl. 1.8.4 Upornost ampermetra mora izpolnjevati pogoj

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

tako da se ob vklopu ampermetra tok v tokokrogu ne spremeni.

Merilni instrumenti - voltmetri in ampermetri - so v dveh vrstah: kazalec (analogni) in digitalni. Digitalni električni števci so kompleksne elektronske naprave. Običajno digitalni instrumenti zagotavljajo večjo natančnost meritev.

Tok in napetost sta kvantitativna parametra, ki se uporabljata v električni diagrami. Najpogosteje se te količine sčasoma spreminjajo, sicer ne bi imelo smisla delovati električni tokokrog.

Napetost

Običajno je napetost označena s črko "U". Delo, porabljeno za premikanje enote naboja od točke z nizkim potencialom do točke z visokim potencialom, je napetost med tema dvema točkama. Z drugimi besedami, to je energija, ki se sprosti, ko se enota naboja premakne z visokega na nizek potencial.

Napetost lahko imenujemo tudi potencialna razlika, pa tudi elektromotorna sila. Ta parameter se meri v voltih. Za premik 1 kulona naboja med dvema točkama, ki imata napetost 1 volt, je treba opraviti 1 joul. Coulombs meri električne naboje. 1 kulon je enak naboju 6x10 18 elektronov.

Napetost je razdeljena na več vrst, odvisno od vrste toka.

Stalni pritisk . Prisoten je v elektrostatičnih in enosmernih tokokrogih.
AC napetost . To vrsto napetosti najdemo v tokokrogih s sinusnim in izmeničnim tokom. V primeru sinusnega toka se upoštevajo naslednje karakteristike napetosti:
amplituda nihanj napetosti– to je njegov največji odklon od osi x;
trenutna napetost, ki se izrazi v določenem trenutku;
efektivna napetost, je določen z opravljenim aktivnim delom v 1. polciklu;
povprečna popravljena napetost, določen z velikostjo popravljene napetosti v eni harmonski periodi.

Pri prenosu električne energije po nadzemnih vodih so konstrukcija nosilcev in njihove dimenzije odvisne od velikosti uporabljene napetosti. Napetost med fazami se imenuje omrežna napetost , napetost med zemljo in vsako fazo pa je fazna napetost . To pravilo velja za vse vrste nadzemnih vodov. V Rusiji je v gospodinjskih električnih omrežjih standard trifazna napetost z linearno napetostjo 380 voltov in fazno napetostjo 220 voltov.

Elektrika

Tok v električnem tokokrogu je hitrost gibanja elektronov na določeni točki, merjena v amperih in označena v diagramih s črko " jaz" Uporabljajo se tudi izpeljane enote ampera z ustreznimi predponami mili-, mikro-, nano itd. Tok 1 ampera nastane s premikanjem enote naboja 1 kulona v 1 sekundi.

Običajno velja, da tok teče v smeri od pozitivnega potenciala do negativnega. Vendar pa je iz tečaja fizike znano, da se elektron giblje v nasprotni smeri.

Vedeti morate, da se napetost meri med 2 točkama na vezju, tok pa teče skozi eno določeno točko v vezju ali skozi njen element. Torej, če nekdo uporabi izraz "napetost v odporu", potem je to napačno in nepismeno. Toda pogosto govorimo o napetosti na določeni točki v vezju. To se nanaša na napetost med tlemi in to točko.

Napetost nastane zaradi izpostavljenosti električnim nabojem v generatorjih in drugih napravah. Tok nastane z uporabo napetosti na dveh točkah v vezju.

Da bi razumeli, kaj sta tok in napetost, bi bilo pravilneje uporabiti. Na njem lahko vidite tok in napetost, ki s časom spreminjata svoje vrednosti. V praksi so elementi električnega tokokroga povezani z vodniki. Na določenih točkah imajo elementi vezja svojo vrednost napetosti.

Tok in napetost upoštevata pravila:

Vsota tokov, ki vstopajo v točko, je enaka vsoti tokov, ki zapuščajo točko (pravilo ohranjanja naboja). To pravilo je Kirchhoffov zakon za tok. Točka vstopa in izstopa toka se v tem primeru imenuje vozlišče. Posledica tega zakona je naslednja izjava: v zaporednem električnem tokokrogu skupine elementov je trenutna vrednost enaka za vse točke.
IN vzporedno vezje elementih je napetost na vseh elementih enaka. Z drugimi besedami, vsota padcev napetosti v zaprtem krogu je nič. Ta Kirchhoffov zakon velja za napetosti.
Delo, ki ga na enoto časa opravi vezje (moč), je izraženo kot sledi: P = U*I. Moč se meri v vatih. 1 joul dela, opravljenega v 1 sekundi, je enak 1 vatu. Moč se porazdeli v obliki toplote, porabi za opravljanje mehanskega dela (v elektromotorjih) in se pretvori v sevanje. različne vrste, se nabira v posodah ali baterijah. Pri načrtovanju kompleksnih električnih sistemov je eden od izzivov toplotna obremenitev sistema.

Značilnosti električnega toka

Predpogoj za obstoj toka v električnem tokokrogu je sklenjen tokokrog. Če je tokokrog prekinjen, se tok ustavi.

Vsi v elektrotehniki delujejo po tem principu. S premičnimi mehanskimi kontakti prekinejo električni tokokrog in s tem ustavijo tok ter izklopijo napravo.

V energetiki se električni tok pojavlja znotraj tokovnih vodnikov, ki so izdelani v obliki zbiralk in drugih delov, ki prevajajo tok.

Obstajajo tudi drugi načini za ustvarjanje notranjega toka v:

Tekočine in plini zaradi gibanja nabitih ionov.
Vakuum, plin in zrak z uporabo termionske emisije.
, zaradi gibanja nosilcev naboja.

Pogoji za nastanek električnega toka

Ogrevanje prevodnikov (ne superprevodnikov).
Uporaba potencialnih razlik na nosilce naboja.
Kemična reakcija, ki sprošča nove snovi.
Vpliv magnetnega polja na prevodnik.

Trenutne valovne oblike

Ravna črta.
Spremenljivi harmonični sinusni val.
Meander, podoben sinusnemu valu, vendar ima ostri koti(včasih so lahko vogali zglajeni).
Pulzirajoča oblika ene smeri, z amplitudo, ki se po določenem zakonu spreminja od nič do največje vrednosti.

Vrste dela električnega toka

Svetlobno sevanje, ki ga ustvarjajo svetlobne naprave.
Pridobivanje toplote z uporabo grelnih elementov.
Mehanska dela (vrtenje elektromotorjev, delovanje drugih električnih naprav).
Ustvarjanje elektromagnetnega sevanja.

Negativni pojavi, ki jih povzroča električni tok

Pregrevanje kontaktov in delov pod napetostjo.
Pojav vrtinčnih tokov v jedrih električnih naprav.
Elektromagnetno sevanje v zunanje okolje.

Ustvarjalci električnih naprav in različnih vezij morajo pri načrtovanju upoštevati zgoraj navedene lastnosti električnega toka. Na primer, škodljivi učinki vrtinčnih tokov v elektromotorjih, transformatorjih in generatorjih se zmanjšajo s fuzijo jeder, ki se uporabljajo za prehajanje magnetnih tokov. Laminacija jedra je njegova proizvodnja ne iz enega samega kosa kovine, temveč iz niza posameznih tankih plošč posebnega električnega jekla.

Toda po drugi strani se vrtinčni tokovi uporabljajo za delovanje mikrovalovnih pečic in pečic, ki delujejo na principu magnetne indukcije. Zato lahko rečemo, da vrtinčni tokovi niso le škodljivi, ampak tudi koristni.

Izmenični tok s signalom v obliki sinusoide se lahko razlikuje po frekvenci nihanj na enoto časa. V naši državi je industrijska frekvenca električnega toka standardna in enaka 50 hertzov. V nekaterih državah se uporablja trenutna frekvenca 60 hercev.

Za različne namene v elektrotehniki in radijski tehniki se uporabljajo druge frekvenčne vrednosti:

Nizkofrekvenčni signali z nižjo tokovno frekvenco.
Visokofrekvenčni signali, ki so veliko višji od frekvence industrijskega toka.

Menijo, da električni tok nastane zaradi gibanja elektronov znotraj prevodnika, zato se imenuje prevodni tok. Vendar obstaja še ena vrsta električnega toka, ki se imenuje konvekcija. Nastane, ko se naelektrena makrotelesa premikajo, na primer dežne kaplje.

Električni tok v kovinah

Gibanje elektronov pod vplivom konstantne sile primerjamo s padalcem, ki se spusti na tla. V teh dveh primerih pride do enakomernega gibanja. Na padalca deluje sila težnosti, nasproti pa ji je sila zračnega upora. Na gibanje elektronov vpliva sila električnega polja, ioni kristalnih mrež pa se temu gibanju upirajo. Povprečna hitrost elektronov doseže konstantno vrednost, prav tako hitrost padalca.

V kovinskem prevodniku je hitrost gibanja enega elektrona 0,1 mm na sekundo, hitrost električnega toka pa približno 300 tisoč km na sekundo. To je zato, ker električni tok teče samo tam, kjer je napetost uporabljena za nabite delce. Zato je doseženo visoka hitrost trenutni tok.

Ko se elektroni premikajo v kristalni mreži, obstaja naslednji vzorec. Elektroni ne trčijo z vsemi prihajajočimi ioni, temveč le z vsakim desetim. To pojasnjujejo zakoni kvantne mehanike, ki jih lahko poenostavimo na naslednji način.

Gibanje elektronov ovirajo veliki ioni, ki nudijo upor. To je še posebej opazno pri segrevanju kovin, ko se težki ioni "zibljejo", povečujejo in zmanjšujejo električno prevodnost kristalnih mrež prevodnikov. Zato se pri segrevanju kovin njihov upor vedno poveča. Z nižanjem temperature se poveča električna prevodnost. Ko temperatura kovine pade na absolutna ničla mogoče doseči učinek superprevodnosti.