Със сигурност всеки от нас поне веднъж в живота си е имал въпроси за това какво е ток, волтаж, заряд и т.н. Всичко това са компоненти на едно голямо физическо понятие - електричество. Нека се опитаме да изучим основните модели на електрически явления, като използваме прости примери.
Какво е електричество?
Електричеството е набор от физични явления, свързани с възникването, натрупването, взаимодействието и пренасянето на електрически заряд. Според повечето историци на науката първите електрически явления са открити от древногръцкия философ Талес през седми век пр.н.е. Талес наблюдава ефекта на статичното електричество: привличането на леки предмети и частици към кехлибар, натъркан с вълна. За да повторите сами този експеримент, трябва да разтриете всеки пластмасов предмет (например химикал или линийка) върху вълнен или памучен плат и да го нанесете на фино нарязани парчета хартия.
Първата сериозна научна работа, която описва изучаването на електрическите явления, е трактатът на английския учен Уилям Гилбърт „За магнита, магнитните тела и големия магнит - Земята“, публикуван през 1600 г. В тази работа авторът описва резултатите на неговите експерименти с магнити и наелектризирани тела. Тук за първи път се споменава и терминът електричество.
Изследванията на У. Гилбърт дадоха сериозен тласък на развитието на науката за електричеството и магнетизма: в периода от началото на 17 до края на 19 век бяха проведени голям брой експерименти и основните закони, описващи електромагнитното бяха формулирани явления. А през 1897 г. английският физик Джоузеф Томсън открива електрона, елементарна заредена частица, която определя електрическите и магнитните свойства на материята. Електронът (на древногръцки електронът е кехлибар) има отрицателен заряд, приблизително равен на 1,602 * 10-19 C (Coulomb) и маса, равна на 9,109 * 10-31 kg. Благодарение на електрони и други заредени частици във веществата протичат електрически и магнитни процеси.
Какво е напрежение?
Има постоянен и променлив електрически ток. Ако заредените частици постоянно се движат в една посока, тогава във веригата има постоянен ток и съответно постоянно напрежение. Ако посоката на движение на частиците периодично се променя (те се движат в една или друга посока), тогава това е променлив ток и възниква съответно при наличие на променливо напрежение (т.е. когато потенциалната разлика промени полярността си). Променливият ток се характеризира с периодична промяна в силата на тока: той приема максимална и след това минимална стойност. Тези текущи стойности са амплитуда или пик. Честотата на промените на полярността на напрежението може да варира. Например у нас тази честота е 50 херца (т.е. напрежението променя полярността си 50 пъти в секунда), а в САЩ честотата на променливия ток е 60 херца (херца).
Единицата за напрежение е наречена волт (V) в чест на италианския учен Алесандро Волта, който създава първия галваничен елемент.
За единица напрежение се приема електрическото напрежение в краищата на проводник, при което работата, извършена за преместване на електрически заряд от 1 C по този проводник, е равна на 1 J.
1 V = 1 J/C
В допълнение към волта се използват кратни и кратни на него: миливолт (mV) и киловолт (kV).
1 mV = 0,001 V;
1 kV = 1000 V.
Високото (високо) напрежение е животозастрашаващо. Да приемем, че напрежението между един проводник на високоволтова преносна линия и земята е 100 000 V. Ако този проводник е свързан с някакъв проводник към земята, тогава, когато през него премине електрически заряд от 1 C, работата ще бъде извършена равна на 100 000 J. Приблизително същата работа ще понесе товар с тегло 1000 кг при падане от височина 10 м. Може да причини големи разрушения. Този пример показва защо токът с високо напрежение е толкова опасен.
Волта Алесандро (1745-1827)
Италианският физик, един от основателите на учението за електрическия ток, създава първия галваничен елемент.
Но трябва да се внимава и при работа с по-ниски напрежения. В зависимост от условията, напрежение дори от няколко десетки волта може да бъде опасно. За работа на закрито напрежението не повече от 42 V се счита за безопасно.
Галваничните клетки създават ниско напрежение. Следователно осветителната мрежа използва електрически ток от генератори, които създават напрежение от 127 и 220 V, т.е. генерират значително повече енергия.
Въпроси
- Каква е единицата за напрежение?
- Какво напрежение се използва в осветителната мрежа?
- Какво е напрежението на полюсите на суха клетка и киселинна батерия?
- Какви единици за напрежение, различни от волта, се използват в практиката?
Токът и напрежението са количествени параметри, използвани в електрически схеми. Най-често тези количества се променят с времето, в противен случай няма да има смисъл от работата на електрическата верига.
Волтаж
Обикновено напрежението се обозначава с буквата "U". Работата, изразходвана за преместване на единица заряд от точка с нисък потенциал до точка с висок потенциал, е напрежението между двете точки. С други думи, това е енергията, освободена след като единица заряд се премести от висок към нисък потенциал.
Напрежението може да се нарече и потенциална разлика, както и електродвижеща сила. Този параметър се измерва във волтове. За да се премести 1 кулон заряд между две точки, които имат напрежение от 1 волт, трябва да се направи 1 джаул работа. Кулоните измерват електрическите заряди. 1 кулон е равен на заряда на 6x10 18 електрона.
Напрежението е разделено на няколко вида, в зависимост от видовете ток.
- Постоянно налягане . Присъства в електростатични и постоянни вериги.
- AC напрежение
. Този тип напрежение се среща във вериги със синусоидални и променливи токове. В случай на синусоидален ток се вземат предвид следните характеристики на напрежението:
- амплитуда на колебанията на напрежението– това е максималното му отклонение от оста x;
- мигновено напрежение, което се изразява в определен момент от време;
- ефективно напрежение, се определя от извършената активна работа през 1-вия полуцикъл;
- средно изправено напрежение, определена от големината на изправеното напрежение за един хармоничен период.
При предаване на електроенергия през въздушни линии конструкцията на опорите и техните размери зависят от величината на приложеното напрежение. Напрежението между фазите се нарича мрежово напрежение , а напрежението между земята и всяка фаза е фазово напрежение . Това правило важи за всички видове въздушни линии. В Русия в електрически битови мрежи, стандартът е трифазно напрежение с мрежово напрежение 380 волта и фазово напрежение 220 волта.
Електричество
Токът в електрическа верига е скоростта на движение на електроните в определена точка, измерена в ампери и обозначена на диаграмите с буквата " аз" Използват се и производни единици ампер със съответните префикси мили-, микро-, нано и др. Ток от 1 ампер се генерира чрез преместване на единица заряд от 1 кулон за 1 секунда.
Традиционно се счита, че токът тече в посока от положителен потенциал към отрицателен. Но от курса по физика знаем, че електронът се движи в обратна посока.
Трябва да знаете, че напрежението се измерва между 2 точки на веригата, а токът протича през една конкретна точка във веригата или през нейния елемент. Следователно, ако някой използва израза „напрежение в съпротива“, то това е неправилно и неграмотно. Но често говорим за напрежение в определена точка от веригата. Това се отнася до напрежението между земята и тази точка.
Напрежението се генерира от излагане на електрически заряди в генератори и други устройства. Токът се създава чрез прилагане на напрежение към две точки на верига.
За да разберете какво е ток и напрежение, би било по-правилно да се използва. На него можете да видите тока и напрежението, които променят стойностите си във времето. На практика елементите на електрическата верига се свързват чрез проводници. В определени точки елементите на веригата имат собствена стойност на напрежението.
Токът и напрежението се подчиняват на правилата:
- Сумата от токовете, влизащи в точка, е равна на сумата от токовете, напускащи точката (правило за запазване на заряда). Това правило е законът на Кирхоф за тока. Точката на влизане и излизане на тока в този случай се нарича възел. Следствие от този закон е следното твърдение: в последователна електрическа верига от група елементи стойността на тока е еднаква за всички точки.
- В паралелна верига от елементи напрежението във всички елементи е еднакво. С други думи, сумата от падовете на напрежението в затворена верига е нула. Този закон на Кирхоф се прилага за напреженията.
- Работата, извършена за единица време от верига (мощност), се изразява, както следва: P = U*I. Мощността се измерва във ватове. 1 джаул работа, извършена за 1 секунда, е равен на 1 ват. Мощността се разпределя под формата на топлина, изразходвана за извършване на механична работа (в електрически двигатели) и преобразувана в радиация различни видове, се натрупва в контейнери или батерии. При проектирането на сложни електрически системи едно от предизвикателствата е топлинното натоварване на системата.
Характеристика електрически ток
Предпоставка за наличието на ток в електрическа верига е затворената верига. Ако веригата е прекъсната, токът спира.
Всички в електротехниката работят на този принцип. Те прекъсват електрическата верига с подвижни механични контакти и по този начин спират потока на ток, изключвайки устройството.
В енергийната индустрия електрическият ток възниква вътре в токопроводи, които са направени под формата на шини и други части, които провеждат ток.
Има и други начини за създаване на вътрешен ток в:
- Течности и газове поради движението на заредени йони.
- Вакуум, газ и въздух с помощта на термоемисия.
- , поради движението на носители на заряд.
Условия за възникване на електрически ток:
- Нагряване на проводници (не свръхпроводници).
- Прилагане на потенциални разлики към носители на заряд.
- Химическа реакция, при която се отделят нови вещества.
- Въздействие магнитно полекъм диригента.
Текущи вълнови форми
- Права.
- Променлива хармонична синусоида.
- Меандър, подобен на синусоида, но с остри ъгли (понякога ъглите могат да бъдат изгладени).
- Пулсираща форма в една посока, с амплитуда, варираща от нула до най-голяма стойност по определен закон.
Видове работа на електрически ток
- Светлинно излъчване, създадено от осветителни устройства.
- Генериране на топлина с помощта на нагревателни елементи.
- Механична работа (въртене на електродвигатели, работа на други електрически устройства).
- Създаване на електромагнитно излъчване.
Отрицателни явления, причинени от електрически ток
- Прегряване на контакти и части под напрежение.
- Появата на вихрови токове в сърцевините на електрически устройства.
- Електромагнитно излъчване във външната среда.
При проектирането създателите на електрически устройства и различни вериги трябва да вземат предвид горните свойства на електрическия ток в своите проекти. Например, вредното въздействие на вихровите токове в електродвигателите, трансформаторите и генераторите се намалява чрез сливане на сърцевините, използвани за преминаване на магнитни потоци. Ламинирането на сърцевината е нейното производство не от едно парче метал, а от набор от отделни тънки плочи от специална електрическа стомана.
Но, от друга страна, вихровите токове се използват за работа микровълнови печки, фурни, работещи на принципа на магнитната индукция. Следователно можем да кажем, че вихровите токове са не само вредни, но и полезни.
Променливият ток със сигнал под формата на синусоида може да се различава по честота на трептения за единица време. В нашата страна индустриалната честота на електрическия ток е стандартна и равна на 50 херца. В някои страни се използва текуща честота от 60 херца.
За различни цели в електротехниката и радиотехниката се използват други честотни стойности:
- Нискочестотни сигнали с по-ниска честота на тока.
- Високочестотни сигнали, които са много по-високи от честотата на индустриалния ток.
Смята се, че електрическият ток възниква от движението на електрони в проводник, поради което се нарича ток на проводимост. Но има и друг вид електрически ток, който се нарича конвекция. Това се случва, когато се движат заредени макротела, например дъждовни капки.
Електрически ток в металите
Движението на електрони, когато са подложени на постоянна сила, се сравнява със спускане на парашутист към земята. В тези два случая се получава равномерно движение. Силата на гравитацията действа върху парашутиста, а силата на въздушното съпротивление й се противопоставя. Движението на електроните се влияе от силата на електрическото поле, а йоните на кристалните решетки се съпротивляват на това движение. Средната скорост на електроните достига постоянна стойност, точно като скоростта на парашутист.
В метален проводник скоростта на движение на един електрон е 0,1 мм в секунда, а скоростта на електрическия ток е около 300 хиляди км в секунда. Това е така, защото електрическият ток протича само там, където се прилага напрежение към заредени частици. Поради това се постига висок дебит на тока.
Когато електроните се движат в кристална решетка, съществува следният модел. Електроните не се сблъскват с всички насрещни йони, а само с всеки десети от тях. Това се обяснява със законите на квантовата механика, които могат да бъдат опростени по следния начин.
Движението на електроните се възпрепятства от големи йони, които оказват съпротивление. Това е особено забележимо при нагряване на металите, когато тежките йони се "люлеят", увеличават размера си и намаляват електрическата проводимост на проводниковите кристални решетки. Следователно, когато металите се нагряват, тяхното съпротивление винаги се увеличава. С понижаване на температурата електрическата проводимост се увеличава. Чрез намаляване на температурата на метала до абсолютната нула може да се постигне ефектът на свръхпроводимост.
Тази страница обобщава накратко основните количества електрически ток. При необходимост страницата ще бъде актуализирана с нови стойности и формули.
Текуща сила– количествена мярка за електрическия ток, протичащ през напречното сечение на проводник. Колкото по-дебел е проводникът, толкова повече ток може да тече през него. Токът се измерва с устройство, наречено амперметър. Мерната единица е ампер (A). Силата на тока се обозначава с буквата - аз.
Трябва да се добави, че постоянен и променлив ток с ниска честота протича през цялото напречно сечение на проводника. Високочестотният променлив ток протича само по повърхността на проводника - кожния слой. Колкото по-висока е честотата на тока, толкова по-тънък е кожен слойпроводник, през който протича високочестотен ток. Това важи за всякакви високочестотни елементи - проводници, индуктори, вълноводи. Следователно, за да се намали активното съпротивление на проводника към високочестотен ток, се избира проводник с голям диаметър, освен това е посребрен (както е известно, среброто има много ниско съпротивление).
Напрежение (спад на напрежението)– количествена мярка за потенциалната разлика (електрическа енергия) между две точки в електрическа верига. Напрежението на източника на ток е потенциалната разлика на клемите на източника на ток. Напрежението се измерва с волтметър. Мерната единица е волт (V). Напрежението се обозначава с буквата – U, напрежението на източника на захранване (синоним на електродвижеща сила) може да бъде означено с буквата – д.
Научете повече в нашата статия.
– количествена мярка на тока, характеризираща енергийните му свойства. Определя се от основните параметри - ток и напрежение. Силата на електрическия ток се измерва с устройство, наречено ватметър. Мерната единица е ват (W). Силата на електрическия ток се обозначава с буквата - Р. Мощността се определя от зависимостта:
ще пипна практическо приложениеизползвайки тази формула като пример: Представете си, че имате електрически нагревател, чиято мощност не знаете. За да разберете мощността, консумирана от устройството, измерете тока и умножете стойността му по напрежението. Или обратното, има устройство с мощност 2 kW (киловат), с мрежово напрежение 220 волта. Как мога да разбера силата на тока в кабела, захранващ това устройство? Разделете мощността на напрежението, за да получите тока: I=P/U= 2000 W/220 V = 9,1 A.
Консумация на електроенергия– общата стойност на консумираната мощност от източника на електрическата мрежа за единица време. Консумацията на електроенергия се измерва с електромер (обикновен апартаментен). Мерната единица е киловат*час (kWh).
Съпротивление на елемента на веригата– количествена мярка, характеризираща способността на елемент на електрическата верига да устои на електрически ток. IN в проста форма, съпротивлението е обикновен резистор. Резисторът може да се използва: като ограничител на тока - допълнителен резистор, като консуматор на ток - резистор за натоварване. Източникът на електрически ток също има вътрешно съпротивление. Съпротивлението се измерва с устройство, наречено омметър. Мерната единица е ом (Ω). Съпротивлението се обозначава с буквата - Р. Той е свързан с тока и напрежението чрез закона на Ом (формула):
Където U– спад на напрежението върху елемент на електрическата верига, аз– ток, протичащ през елемент от веригата.
Разсеяна (погълната) мощност на елемент от електрическата верига– стойността на мощността, разсейвана върху елемента на веригата, която елементът може да поеме (издържи), без да променя номиналните си параметри (отказ). Разсейването на мощността на резисторите е посочено в името му (например: двуватов резистор - OMLT-2, десетватов жичен резистор - PEV-10). При изчисляване електрически схеми, стойността на необходимото разсейване на мощността на елемент от веригата се изчислява по формулите:
За надеждна работа стойността на разсейваната мощност на елемента, определена по формулите, се умножава по коефициент 1,5, като се има предвид, че трябва да се осигури резерв на мощност.
Проводимост на елемента на веригата– способността на елемент от веригата да провежда електрически ток. Единицата за проводимост е Сименс (Cm). Проводимостта се обозначава с буквата - σ . Проводимостта е реципрочната стойност на съпротивлението и е свързана с нея по формулата:
Ако съпротивлението на проводника е 0,25 ома (или 1/4 ома), тогава проводимостта ще бъде 4 сименса.
Честота на електрически ток– количествена мярка, характеризираща скоростта на промяна в посоката на електрическия ток. Има концепции - кръгова (или циклична) честота - ω, който определя скоростта на промяна на фазовия вектор на електрическото (магнитното) поле и честота на електрически ток - f, характеризираща скоростта на промяна в посоката на електрическия ток (времена или трептения) за секунда. Честотата се измерва с устройство, наречено честотомер. Мерната единица е херц (Hz). И двете честоти са свързани една с друга чрез израза:
Период на електрически ток– реципрочна стойност на честотата, показваща колко дълго електрическият ток извършва едно циклично трептене. Периодът се измерва, обикновено с помощта на осцилоскоп. Единицата за период е секунда (s). Периодът на колебание на електрически ток се обозначава с буквата - T. Периодът е свързан с честотата на електрическия ток с израза:
Дължина на вълната на високочестотно електромагнитно поле– размерна величина, характеризираща един период на колебание на електромагнитното поле в пространството. Дължината на вълната се измерва в метри (m). Дължината на вълната се обозначава с буквата – λ . Дължината на вълната е свързана с честотата и се определя чрез скоростта на светлината:
– количествена мярка, характеризираща способността за натрупване на енергия от електрически ток под формата на електрически заряд върху кондензаторните пластини. Електрическият капацитет се обозначава с буквата - СЪС. Мерната единица за електрически капацитет е фарад (F).
Магнитна индуктивност– количествена мярка, характеризираща способността за натрупване на енергия на електрически ток в магнитното поле на индуктор (дросел). Магнитната индуктивност се обозначава с буквата – Л. Единицата за индуктивност е Хенри (H).
Реактивно съпротивление на кондензатор (капацитет)– стойността на вътрешното съпротивление на кондензатора на променлив хармоничен ток при определена честота. Реактивното съпротивление на кондензатора се означава с − X Cи се определя по формулата:
Реактивно съпротивление на индуктора (дросел)– стойността на вътрешното съпротивление на индуктора на променлив хармоничен ток при определена честота. Означава се реактивното съпротивление на индуктор X Lи се определя по формулата:
Резонансна честота на колебателния кръг– честота на хармоничен променлив ток, при която трептящият кръг има изразена амплитудно-честотна характеристика (АЧХ). Резонансната честота на колебателния кръг се определя по формулата:
, или
Доброкачествен фактор на колебателния кръг- характеристика, която определя ширината на честотната характеристика на резонанса и показва колко пъти енергийните запаси във веригата са по-големи от енергийните загуби по време на един период на трептене. Коефициентът на качество отчита наличието на активно съпротивление на натоварване. Коефициентът на качество се обозначава с буквата - Q.
За сериен колебателен кръг в RLC вериги, в който и трите елемента са свързани последователно, коефициентът на качество се изчислява:
Където Р, ЛИ ° С- съпротивление, индуктивност и съответно капацитет на резонансната верига.
За паралелна осцилираща верига, в която индуктивност, капацитет и съпротивление са свързани паралелно, качественият фактор се изчислява:
Коефициент на запълване на импулсае отношението на периода на повторение на импулса към тяхната продължителност. Коефициентът на запълване на импулсите се определя по формулата.
Електрическият ток (I) е насоченото движение на електрическите заряди (йони в електролитите, електрони на проводимостта в металите).
Необходимо условие за протичане на електрически ток е затворената верига.
Електрическият ток се измерва в ампери (A).
Производните единици за ток са:
1 килоампер (kA) = 1000 A;
1 милиампер (mA) 0,001 A;
1 микроампер (µA) = 0,000001 A.
Човек започва да усеща през тялото си ток от 0,005 А. Ток със сила над 0,05 А е опасен за човешкия живот.
Електрическо напрежение (U)се нарича потенциална разлика между две точки в електрическото поле.
Мерна единица електрическа потенциална разликае волт (V).
1 V = (1 W) : (1 A).
Изведените единици за напрежение са:
1 киловолт (kV) = 1000 V;
1 миливолт (mV) = 0,001 V;
1 микроволт (µV) = 0,00000 1 V.
Съпротивление на участък от електрическа веригае величина, която зависи от материала на проводника, неговата дължина и напречно сечение.
Електрическото съпротивление се измерва в ома (ома).
1 Ohm = (1 V) : (1 A).
Производните единици на съпротивление са:
1 kiloOhm (kOhm) = 1000 Ohm;
1 мегаом (MΩ) = 1 000 000 ома;
1 милиом (mOhm) = 0,001 ома;
1 микроом (µом) = 0,00000 1 ом.
Електрическото съпротивление на човешкото тяло, в зависимост от редица условия, варира от 2000 до 10 000 ома.
Електрическо съпротивление (ρ)се нарича съпротивлението на проводник с дължина 1 m и напречно сечение 1 mm2 при температура 20 ° C.
Реципрочната стойност на съпротивлението се нарича електрическа проводимост (γ).
Мощност (P)е количество, което характеризира скоростта, с която се преобразува енергията, или скоростта, с която се извършва работа.
Мощността на генератора е величина, която характеризира скоростта, с която механичната или друга енергия се преобразува в електрическа енергия в генератора.
Потребителската мощност е количество, което характеризира скоростта, с която електрическата енергия се преобразува в отделни участъци на веригата в други. полезни видовеенергия.
Единицата за мощност в системата SI е ват (W). Тя е равна на мощността, при която 1 джаул работа се извършва за 1 секунда:
1W = 1J/1сек
Производни единици за измерване на електрическа мощност са:
1 киловат (kW) = 1000 W;
1 мегават (MW) = 1000 kW = 1 000 000 W;
1 миливат (mW) = 0,001 W; o1i
1 конска сила (hp) = 736 W = 0,736 kW.
Мерни единици за електрическа енергияса:
1 ват-секунда (W sec) = 1 J = (1 N) (1 m);
1 киловатчас (kWh) = 3,6 106 W сек.
Пример. Токът, консумиран от електродвигател, свързан към мрежа 220 V, е 10 A за 15 минути. Определете енергията, консумирана от двигателя.
W*sec, или разделяйки тази стойност на 1000 и 3600, получаваме енергия в киловатчаса:
W = 1980000/(1000*3600) = 0,55 kWh
Маса 1. Електрически величини и единици