Напевно, у кожного з нас, хоч раз у житті, виникали питання про те, що таке струм, напруга струму, заряд та ін Все це складові одного великого фізичного поняття - електрика. Давайте на найпростіших прикладах спробуємо вивчити основні закономірності електричних явищ.
Що таке електрика.
Електрика - це сукупність фізичних явищ, пов'язаних із виникненням, накопиченням, взаємодією та перенесенням електричного заряду. На думку більшості істориків науки, перші електричні явища були відкриті давньогрецьким філософом Фалесом у сьомому столітті до нашої ери. Фалес спостерігав дію статичної електрики: тяжіння до натертого вовни бурштину легких предметів та частинок. Щоб повторити цей досвід самостійно, вам необхідно потерти про вовняну або бавовняну тканину будь-який пластиковий предмет (наприклад, ручку або лінійку) і піднести його до дрібнонарізаних шматочків паперу.
Першою серйозною науковою роботою, в якій описані дослідження електричних явищ став трактат англійського вченого Вільяма Гілберта «Про магніт, магнітні тіла і великий магніт - Землю» виданий у 1600 р. У цій роботі автор описав результати своїх дослідів з магнітами та наелектризованими тілами. Тут же вперше згадується термін «електрика».
Дослідження У. Гілберта дали серйозний поштовх розвитку науки про електрику та магнетизм: за період з початку 17 до кінця 19 століття було проведено велику кількість експериментів та сформульовано основні закони, що описують електромагнітні явища. А 1897 року англійський фізик Джозеф Томсон відкрив електрон - елементарну заряджену частинку, яка визначає електричні та магнітні властивості речовини. Електрон (давньогрецькою мовою електрон – це бурштин) має негативний заряд приблизно рівний 1,602*10-19 Кл (Кулона) та масу рівну 9,109*10-31 кг. Завдяки електронам та іншим зарядженим частинкам відбуваються електричні та магнітні процеси в речовинах.
Що таке напруга |
Розрізняють постійний та змінний електричні струми. Якщо заряджені частинки постійно рухаються в одному напрямку, то в ланцюзі - постійний струм і, відповідно, постійна напруга струму. Якщо напрям руху частинок періодично змінюється (вони переміщуються то одному, то іншому напрямі), це - змінний струм і виникає він, відповідно, за наявності змінного напруги (тобто коли різниця потенціалів змінює свою полярність). Для змінного струму характерна періодична зміна величини сили струму: вона набуває то максимального, то мінімального значення. Ці значення сили струму є амплітудними або піковими. Частота зміни полярності напруги може бути різною. Наприклад, нашій країні ця частота дорівнює 50 Герц (т. е. напруга змінює свою полярність 50 разів у секунду), а США частота змінного струму - 60 Гц (Герц).
Одиниця напруги названа вольтом (В) на честь італійського вченого Алессандро Вольта, який створив перший гальванічний елемент.
За одиницю напруги приймають таку електричну напругу на кінцях провідника, при якому робота по переміщенню електричного заряду в 1 Кл по цьому провіднику дорівнює 1 Дж.
1 В = 1 Дж/Кл
Крім вольта застосовують подовжні та кратні йому одиниці: мілівольт (мВ) та кіловольт (кВ).
1 мВ = 0,001;
1 кВ = 1000 ст.
Висока (велика) напруга небезпечна для життя. Припустимо, що напруга між одним проводом високовольтної лінії передачі та землею 100 000 В. Якщо цей провід з'єднати якимось провідником із землею, то при проходженні через нього електричного заряду в 1 Кл буде виконана робота, що дорівнює 100 000 Дж. Приблизно таку ж роботу здійснить вантаж масою 1000 кг при падінні з висоти 10 м. Він може спричинити великі руйнування. Цей приклад показує, чому такий небезпечний струм високої напруги.
Вольта Алессандро (1745-1827)
Італійський фізик, один із засновників вчення про електричний струм, створив перший гальванічний елемент.
Але обережність треба дотримуватися і в роботі з нижчими напругами. Залежно від умов напруга навіть у кілька десятків вольт може виявитися небезпечною. Для роботи у приміщенні безпечним вважають напругу трохи більше 42 У.
Гальванічні елементи створюють невисоку напругу. Тому в освітлювальній мережі використовується електричний струм від генераторів, що створюють напругу 127 і 220 В, тобто виробляють значно більшу енергію.
Запитання
- Що беруть за одиницю напруги?
- Яку напругу використовують у освітлювальній мережі?
- Чому дорівнює напруга на полюсах сухого елемента та кислотного акумулятора?
- Які одиниці напруги, крім вольта, застосовують практично?
Струм і напруга є кількісними параметрами, що застосовуються в електричних схемах. Найчастіше ці величини змінюються з часом, інакше було сенсу у дії електричної схеми.
Напруга
Умовно напруга позначається буквою «U». Робота, витрачена на переміщення одиниці заряду з точки, що має малий потенціал до точки з великим потенціалом, є напругою між цими двома точками. Іншими словами, це енергія, що звільняється після переходу одиниці заряду від високого потенціалу до малого.
Напруга ще можуть називати різницею потенціалів, а також електрорушійною силою. Цей параметр вимірюється у вольтах. Щоб перемістити 1 кулон заряду між двома точками, які мають напругу 1 вольт, потрібно виконати роботу в 1 джоуль. Кулонами вимірюються електричні заряди. 1 кулон дорівнює заряду 6х1018 електронів.
Напруга розділяється кілька видів, залежно від видів струму.
- Постійна напруга . Воно присутнє в електростатичних ланцюгах та ланцюгах постійного струму.
- Змінна напруга
. Цей вид напруги є в ланцюгах із синусоїдальними та змінними струмами. У разі синусоїдального струму розглядаються такі характеристики напруги, як:
- Амплітуда коливань напруги- це максимальне його відхилення від осі абсцис;
- Миттєва напруга, що виражається у певний момент часу;
- Діюча напруга, Визначається по активній роботі 1-го напівперіоду;
- Середньовипрямлена напруга, Яке визначається за модулем величини випрямленої напруги за один гармонійний період.
При передачі електроенергії повітряними лініями пристрій опор та їх розміри залежать від величини застосовуваної напруги. Величина напруги між фазами називається лінійною напругою , а напруга між землею та кожною з фаз – фазною напругою . Таке правило застосовується всім типів повітряних ліній. У Росії в електричних побутових мережах, стандартним є трифазна напруга з лінійною напругою 380 вольт, і фазним значенням напруги 220 вольт.
Електричний струм
Струм в електричному ланцюзі є швидкістю руху електронів у певній точці, що вимірюється в амперах, і позначається на схемах буквою « I». Також використовуються похідні одиниці ампера з відповідними приставками мілі-, мікро-, нано і т.д. Струм розміром 1 ампер утворюється пересуванням одиниці заряду в 1 кулон за 1 секунду.
Умовно вважається, що струм тече у напрямку від позитивного потенціалу до негативного. Проте, з курсу фізики відомо, що електрон рухається у протилежному напрямку.
Необхідно знати, що напруга вимірюється між двома точками на схемі, а струм тече через одну конкретну точку схеми, або через її елемент. Тому якщо хтось вживає вираз «напруга в опорі», то це невірно і неписьменно. Але часто йдеться про напругу у певній точці схеми. При цьому мається на увазі напруга між землею та цією точкою.
Напруга утворюється від на електричні заряди в генераторах, та інших пристроях. Струм виникає шляхом докладання напруги до двох точок на схемі.
Щоб зрозуміти, що таке струм і напруга, правильніше скористатися . На ньому можна побачити струм та напругу, які змінюють свої значення у часі. Насправді елементи електричної ланцюга з'єднані провідниками. У певних точках елементи ланцюга мають значення напруги.
Струм і напруга підпорядковуються правилам:
- Сума струмів, що входять до точки, дорівнює сумі струмів, що виходять з точки (правило збереження заряду). Таке правило є законом Кірхгофа для струму. Точка входу та виходу струму в цьому випадку називається вузлом. Наслідком цього закону є таке твердження: у послідовній електричної ланцюга групи елементів величина струму всім точок однакова.
- У паралельній схемі елементів напруга всіх елементів однаково. Інакше висловлюючись, сума падінь напруги у замкнутому контурі дорівнює нулю. Цей закон Кірхгофа застосовується для напруги.
- Робота, виконана в одиницю часу схемою (потужність), виражається так: Р = U * I. Потужність вимірюється у ватах. Робота завбільшки 1 джоуль, виконана за 1 секунду, дорівнює 1 вату. Потужність поширюється як теплоти, витрачається скоєння механічної роботи (в електродвигунах), перетворюється на випромінювання різного виду, накопичується у ємностях чи батареях. При проектуванні складних електричних систем однією з проблем є теплове навантаження системи.
Характеристика електричного струму
Обов'язковою умовою існування струму в електричному ланцюзі є замкнутий контур. Якщо контур ланцюга розривається, то струм припиняється.
За таким принципом діють у електротехніці. Вони розривають електричний ланцюг рухомими механічними контактами, і цим припиняють протягом струму, вимикаючи пристрій.
В енергетичній промисловості електричний струм виникає всередині провідників струму, які виконані у вигляді шин та інших частин, що проводять струм.
Також існують інші способи створення внутрішнього струму в:
- Рідинах та газах за рахунок пересування заряджених іонів.
- Вакуум, газ і повітря за допомогою термоелектронної емісії.
- , внаслідок руху носіїв заряду
Умови виникнення електричного струму:
- Нагрівання провідників (не надпровідників).
- Додаток до носіїв заряду різниці потенціалів.
- Хімічна реакція із виділенням нових речовин.
- Вплив магнітного поляна провідник.
Форми сигналу струму
- Пряма лінія.
- Змінна синусоїда гармоніки.
- Меандр, схожий на синусоїду, але має гострі кути (іноді кути можуть згладжуватися).
- Пульсуюча форма одного напряму, з амплітудою, що коливається від нуля до найбільшої величини за певним законом.
Види роботи електричного струму
- Світлове випромінювання, яке створюється приладами освітлення.
- Створення тепла за допомогою нагрівальних елементів.
- Механічна робота (обертання електродвигунів, дія інших електричних пристроїв).
- Створення електромагнітного випромінювання.
Негативні явища, що викликаються електричним струмом
- Перегрів контактів та струмопровідних частин.
- Виникнення вихрових струмів у сердечниках електричних пристроїв.
- Електромагнітні випромінювання у довкілля.
Творці електричних пристроїв та різних схем при проектуванні повинні враховувати перелічені вище властивості електричного струму у своїх розробках. Наприклад, шкідливий вплив вихрових струмів в електродвигунах, трансформаторах і генераторах знижується шляхом шихтування сердечників, що застосовуються для пропускання магнітних потоків. Шихтування сердечника - це його виготовлення не з цільного шматка металу, а з набору окремих тонких пластин спеціальної електротехнічної сталі.
Але, з іншого боку, вихрові струми використовують для роботи мікрохвильових печей, духовок, що діють за принципом магнітної індукції Тому, можна сказати, що вихрові струми не лише шкодять, а й користі.
Змінний струм із сигналом у формі синусоїди може відрізнятися частотою коливань за одиницю часу. У нашій країні промислова частота струму електричних пристроїв стандартна і дорівнює 50 герцям. У деяких країнах використовується частота струму 60 герц.
Для різних цілей в електротехніці та радіотехніці використовують інші значення частоти:
- Низькочастотні сигнали із меншою величиною частоти струму.
- Високочастотні сигнали, які набагато вищі за частоту струму промислового використання.
Вважається, що електричний струм виникає при русі електронів усередині провідника, тому він називається струмом провідності. Але існує й інший вид електричного струму, який отримав назву конвекційного. Він виникає під час руху заряджених макротіл, наприклад, крапель дощу.
Електричний струм у металах
Рух електронів при дії на них постійної сили порівнюють із парашутистом, який знижується на землю. У цих випадках відбувається рівномірний рух. На парашутиста діє сила тяжіння, а протистоїть їй сила опору повітря. На рух електронів діє сила електричного поля, а чинять опір цьому руху іони грат кристалів. Середня швидкість електронів досягає постійного значення, як і швидкість парашутиста.
У металевому провіднику швидкість руху одного електрона дорівнює 0,1 мм за секунду, а швидкість електричного струму близько 300 тисяч км за секунду. Це тим, що електричний струм тече лише там, де до зарядженим частинкам прикладено напругу. Тому досягається велика швидкість протікання струму.
При переміщенні електронів у кристалічній решітці існує така закономірність. Електрони стикаються не з усіма зустрічними іонами, а лише з кожним десятим із них. Це пояснюється законами квантової механіки, які можна спрощено пояснити так.
Руху електронів заважають великі іони, які чинять опір. Це особливо помітно при нагріванні металів, коли важкі іони «хитаються», збільшуються у розмірах та зменшують електропровідність грат кристалів провідника. Тому при нагріванні металів завжди збільшується опір. У разі зниження температури підвищується електрична провідність. При зниженні температури металу до абсолютного нуля можна досягти ефекту надпровідності.
На цій сторінці коротко викладаються основні величини електричного струму. При необхідності сторінка поповнюватиметься новими величинами і формулами.
Сила струму– кількісна міра електричного струму, що протікає через поперечний переріз провідника. Чим товстіший провідник, тим більший струм може по ньому текти. Вимірюється сила струму приладом, що називається Амперметр. Одиниця виміру - Ампер (А). Сила струму позначається буквою – I.
Слід додати, що постійний і змінний струм низької частоти тече через весь переріз провідника. Високочастотний змінний струм тече лише поверхнею провідника – скін-шару. Що частота струму, то тонше скін-шарпровідника, яким тече високочастотний струм. Це стосується будь-яких високочастотних елементів – провідників, котушок індуктивності, хвилеводів. Тому для зменшення активного опору провідника високочастотному струму вибирають провідник з великим діаметром, крім того, його сріблять (як відомо, срібло має дуже мале питоме опір).
Напруга (падіння напруги)– кількісна міра різниці потенціалів (електричної енергії) між двома точками електричного кола. Напруга джерела струму – різниця потенціалів на висновках джерела струму. Вимірюється напруга вольтметром. Одиниця виміру - Вольт (В). Напруга позначається буквою – U, напруга джерела живлення (синонім - електрорушійна сила) може позначатися буквою - Е.
Дізнайтесь більше про в нашій статті.
- Кількісна міра струму, що характеризує його енергетичні властивості. Визначається основними параметрами – силою струму та напругою. Вимірюється потужність електричного струму приладом, який має назву Ваттметр. Одиниця виміру - Ватт (Вт). Потужність електричного струму позначається буквою – Р. Потужність визначається залежністю:
Торкнуся практичного застосуванняцієї формули на прикладі: Уявіть, що у Вас є електронагрівач, потужність якого Вам не відома. Щоб дізнатися споживану приладом потужність, виміряйте струм і помножте його значення на напругу. Або навпаки, є пристрій потужністю 2 кВт (кіловатт), на напругу мережі 220 вольт. Як дізнатися силу струму в кабелі, що живить цей прилад? Потужність ділимо на напругу, отримуємо струм: I = P/U= 2000 Вт/220 В = 9,1 А.
Споживана електроенергія– сумарне значення споживаної потужності джерела електричної мережі за одиницю часу. Вимірюється споживана електроенергія лічильником (звичайним квартирним). Одиниця виміру - кіловат * год (кВт * год).
Опір елемента ланцюга- Кількісна міра, що характеризує здатність елемента електричного ланцюга чинити опір електричному струму. У простому вигляді, Опір це звичайний резистор. Резистор може використовуватися як обмежувач струму - додатковий резистор, як споживач струму - навантажувальний резистор. Джерело електричного струму так само має внутрішній опір. Вимірюється опір приладом званим Омметром. Одиниця виміру - Ом (Ом). Опір позначається буквою – R. Пов'язано зі струмом та напругою законом Ома (формулою):
де U- Падіння напруги на елементі електричного ланцюга, I- Струм, що протікає через елемент ланцюга.
Розсіювана (поглинається) потужність елемента електричного ланцюга– значення потужності розсіюваної елементі ланцюга, яку елемент може поглинути (витримати) без зміни його номінальних параметрів (виходу з ладу). Потужність резисторів, що розсіюється, позначається в його назві (наприклад: двох ватний резистор - ОМЛТ-2, десяти ватний дротяний резистор - ПЕВ-10). При розрахунку важливих схемзначення необхідної розсіюваної потужності елемента ланцюга розраховується за формулами:
Для надійної роботи, визначене за формулами значення потужності елемента, що розсіюється, множиться на коефіцієнт 1,5 , що враховує те, що повинен бути забезпечений запас по потужності.
Провідність елемента ланцюга- Здатність елемента ланцюга проводити електричний струм. Одиниця виміру провідності - Сіменс (См). Позначається провідність буквою - σ . Провідність - величина зворотна опору, і пов'язана з ним формулою:
Якщо опір провідника дорівнює 0,25 Ом (або 1/4 Ом), провідність буде 4 сименс.
Частота електричного струму– кількісний захід, що характеризує швидкість зміни напряму електричного струму. Мають місце поняття. кругова (або циклічна) частота - ω, визначальна швидкість зміни вектора фази електричного (магнітного) поля та частота електричного струму - f, Що характеризує швидкість зміни напрямку електричного струму (раз, або коливань) за одну секунду. Вимірюється частота приладом, який називається Частотомером. Одиниця виміру - Герц (Гц). Обидві частоти пов'язані один з одним через вираз:
Період електричного струму- Величина зворотна частоті, що показує, протягом якого часу електричний струм здійснює одне циклічне коливання. Вимірюється період, зазвичай, з допомогою осцилографа. Одиниця виміру періоду - секунда (с). Період коливання електричного струму позначається буквою – Т. Період пов'язаний із частотою електричного струму виразом:
Довжина хвилі високочастотного електромагнітного поля- Розмірна величина, що характеризує один період коливання електромагнітного поля в просторі. Вимірюється довжина хвилі за метри (м). Довжина хвилі позначається буквою – λ . Довжина хвилі пов'язана з частотою і визначається через швидкість розповсюдження світла:
– кількісна міра, що характеризує здатність накопичувати енергію електричного струму як електричного заряду на обкладках конденсатора. Позначається електрична ємність буквою – З. Одиниця виміру електричної ємності - Фарада (Ф).
Магнітна індуктивність- кількісна міра, що характеризує здатність накопичувати енергію електричного струму в магнітному полі котушки індуктивності (дроселя). Позначається магнітна індуктивність буквою – L. Одиниця виміру індуктивності - Генрі (Гн).
Реактивний опір конденсатора (ємності)- Значення внутрішнього опору конденсатора змінному гармонійному струму на певній його частоті. Реактивний опір конденсатора позначається. Х Зі визначається за формулою:
Реактивний опір котушки індуктивності (дроселя)- Значення внутрішнього опору котушки індуктивності змінному гармонійному струму на певній його частоті. Реактивний опір котушки індуктивності позначається Х Lі визначається за формулою:
Резонансна частота коливального контуру- Частота гармонійного змінного струму, на якій коливальний контур має виражену амплітудно-частотну характеристику (АЧХ). Резонансна частота коливального контуру визначається за такою формулою:
, або
Добротність коливального контуру- Характеристика, що визначає ширину АЧХ резонансу і показує, у скільки разів запаси енергії в контурі більше, ніж втрати енергії за один період коливань. Добротність враховує наявність активного опору навантаження. Добротність позначається буквою – Q.
Для послідовного коливального контуру RLC ланцюгах, в якому всі три елементи включені послідовно, добротність обчислюється:
де R, Lі C- Опір, індуктивність та ємність резонансного ланцюга, відповідно.
Для паралельного коливального контуру, в якому індуктивність, ємність та опір включені паралельно, добротність обчислюється:
Добре імпульсів- Це відношення періоду проходження імпульсів до їх тривалості. Добре імпульсів визначається за формулою.
Електричним струмом (I) називається спрямований рух електричних зарядів (іонів – в електролітах, електронів провідності у металах).
Необхідною умовою для електричного струму є замкнутість електричного ланцюга.
Електричний струм вимірюється в амперах (А).
Похідними одиницями вимірювання струму є:
1 кілоампер (кА) = 1000 А;
1 міліампер (мА) 0,001 А;
1 мікроампер (мкА) = 0,000001 А.
Людина починає відчувати струм, що проходить через його тіло, в 0,005 А. Струм більше 0,05 А небезпечний для життя людини.
Електричною напругою (U)називається різниця потенціалів між двома точками електричного поля.
Одиницею різниці електричних потенціалівє вольт (B).
1 В = (1 Вт): (1 А).
Похідними одиницями вимірювання напруги є:
1 кіловольт (кВ) = 1000;
1 мілівольт (мВ) = 0,001;
1 мікровольт (мкВ) = 0,00000 1 ст.
Опіром ділянки електричного ланцюганазивається величина, яка залежить від матеріалу провідника, його довжини та поперечного перерізу.
Електричний опір вимірюється в омах (Ом).
1 Ом = (1 В): (1 А).
Похідними одиницями вимірювання опору є:
1 кілоОм (кОм) = 1000 Ом;
1 мегаОм (МОм) = 1000000 Ом;
1 міліОм (мОм) = 0,001 Ом;
1 мікроОм (мкОм) = 0,00000 1 Ом.
Електричний опір тіла людини залежно від низки умов коливається від 2000 до 10000 Ом.
Питомим електричним опором (?)називається опір дроту довжиною 1 м і перетином 1 мм2 при температурі 20 °С.
Величина, обернена питомого опору, називається питомою електричною провідністю (γ).
Потужністю (Р)називається величина, що характеризує швидкість, з якою відбувається перетворення енергії, або швидкість, з якою відбувається робота.
Потужністю генератора називається величина, що характеризує швидкість, з якою механічна чи інша енергія перетворюється на генераторі електричну.
Потужністю споживача називається величина, що характеризує швидкість, з якою відбувається перетворення електричної енергії в окремих ділянках ланцюга в інші корисні видиенергії.
Системною одиницею потужності СІ є ват (Вт). Він дорівнює потужності, при якій за 1 секунду виконується робота в 1 джоуль:
1Вт = 1Дж/1сек
Похідними одиницями вимірювання електричної потужності є:
1 кіловат (кВт) = 1000 Вт;
1 мегават (МВт) = 1000 кВт = 1 000 000 Вт;
1 міліват (мВт) = 0,001 Вт; о1i
1 кінська сила (к. с.) = 736 Вт = 0,736 кВт.
Одиницями виміру електричної енергіїє:
1 ват-секунда (Вт сек) = 1 Дж = (1 Н) (1 м);
1 кіловат-година (кВт год) = 3,б 106 Вт сек.
приклад. Струм, споживаний електродвигуном, приєднаним до мережі 220, становив 10 А протягом 15 хвилин. Визначити енергію, спожиту двигуном.
Вт*сек, або розділивши цю величину на 1000 і 3600, отримаємо енергію в кіловат-годинах:
W = 1980000 / (1000 * 3600) = 0,55 кВт * год
Таблиця 1. Електричні величини та одиниці