Czym jest prąd elektryczny w definicji fizyki. Co to jest prąd elektryczny? Natura energii elektrycznej

Jeżeli izolowany przewodnik zostanie umieszczony w polu elektrycznym \(\overrightarrow(E)\), to siła \(\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)\) będzie działać na wolne ładunki \(q\) w konduktorze, w wyniku czego, konduktor, następuje krótkotrwały ruch darmowych opłat. Proces ten zakończy się, gdy własne pole elektryczne ładunków powstałych na powierzchni przewodnika całkowicie skompensuje pole zewnętrzne. Wynikowe pole elektrostatyczne wewnątrz przewodnika będzie wynosić zero.

Jednak w przewodnikach, w określonych warunkach, może wystąpić ciągły uporządkowany ruch swobodnych nośników ładunku elektrycznego.

Ukierunkowany ruch naładowanych cząstek nazywa się prądem elektrycznym.

Za kierunek prądu elektrycznego przyjmuje się kierunek ruchu dodatnich ładunków swobodnych. Aby w przewodniku istniał prąd elektryczny, konieczne jest wytworzenie w nim pola elektrycznego.

Ilościowa miara prądu elektrycznego to aktualna siła\(I\) jest skalarną wielkością fizyczną równą stosunkowi ładunku \(\Delta q\) przeniesionego przez przekrój przewodu (ryc. 1.8.1) w przedziale czasu \(\Delta t\) , do tego przedziału czasowego:

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

Jeśli siła prądu i jego kierunek nie zmieniają się w czasie, to taki prąd nazywa się stały .

W międzynarodowym układzie jednostek SI prąd jest mierzony w amperach (A). Jednostka prądu 1 A jest ustalana przez wzajemne oddziaływanie magnetyczne dwóch równoległych przewodów z prądem.

Stały prąd elektryczny można wygenerować tylko w zamknięty obwód , w którym przewoźnicy bezpłatnych opłat krążą po zamkniętych ścieżkach. Pole elektryczne w różnych punktach takiego obwodu jest stałe w czasie. W konsekwencji pole elektryczne w obwodzie prądu stałego ma charakter zamrożonego pola elektrostatycznego. Ale podczas przesuwania ładunku elektrycznego w polu elektrostatycznym po zamkniętej ścieżce praca sił elektrycznych wynosi zero. Dlatego do istnienia prądu stałego konieczne jest posiadanie w obwodzie elektrycznym urządzenia, które może tworzyć i utrzymywać różnice potencjałów na odcinkach obwodu w wyniku działania sił pochodzenie nieelektrostatyczne. Takie urządzenia nazywają się źródła prądu stałego . Siły pochodzenia nieelektrostatycznego działające na nośniki ładunków swobodnych ze źródeł prądowych nazywamy siły zewnętrzne .

Charakter sił zewnętrznych może być inny. W ogniwach galwanicznych lub akumulatorach powstają w wyniku procesów elektrochemicznych, w generatorach prądu stałego powstają siły zewnętrzne, gdy przewodniki poruszają się w polu magnetycznym. Źródło prądu w obwodzie elektrycznym pełni taką samą rolę jak pompa, która jest niezbędna do pompowania płynu w zamkniętym układzie hydraulicznym. Pod wpływem sił zewnętrznych ładunki elektryczne przemieszczają się wewnątrz źródła prądu przeciwko siły pola elektrostatycznego, dzięki którym można utrzymać stały prąd elektryczny w obwodzie zamkniętym.

Gdy ładunki elektryczne poruszają się po obwodzie prądu stałego, działają siły zewnętrzne działające wewnątrz źródeł prądu.

Nazywa się wielkość fizyczną równą stosunkowi pracy \ (A_ (st) \) sił zewnętrznych podczas przenoszenia ładunku \ (q \) z ujemnego bieguna źródła prądu do dodatniego do wartości tego ładunku źródło siły elektromotorycznej (EMF):

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

W ten sposób pole elektromagnetyczne jest określane przez pracę wykonaną przez siły zewnętrzne podczas przesuwania pojedynczego ładunku dodatniego. Siłę elektromotoryczną, podobnie jak różnicę potencjałów, mierzy się w Wolty (V).

Gdy pojedynczy ładunek dodatni porusza się po zamkniętym obwodzie prądu stałego, praca sił zewnętrznych jest równa sumie pola elektromagnetycznego działającego w tym obwodzie, a praca pola elektrostatycznego wynosi zero.

Obwód prądu stałego można podzielić na osobne sekcje. Te odcinki, na które nie działają siły zewnętrzne (tj. Odcinki, które nie zawierają źródeł prądu) są nazywane jednorodny . Obszary, które obejmują źródła prądowe, nazywane są heterogeniczny .

Kiedy jednostkowy ładunek dodatni porusza się wzdłuż pewnego odcinka obwodu, działają zarówno siły elektrostatyczne (kulombowskie), jak i zewnętrzne. Praca sił elektrostatycznych jest równa różnicy potencjałów \(\Delta \phi_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)\) między początkowym (1) i końcowym (2) punktem przekroju niejednorodnego . Praca sił zewnętrznych to z definicji siła elektromotoryczna \(\mathcal(E)\) działająca na ten odcinek. Więc cała praca jest

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

wartość U 12 nazywa się Napięcie na odcinku łańcucha 1-2. W przypadku odcinka jednorodnego napięcie jest równe różnicy potencjałów:

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

Niemiecki fizyk G. Ohm w 1826 roku eksperymentalnie ustalił, że siła prądu \ (I \) przepływającego przez jednorodny metalowy przewodnik (tj. Przewodnik, w którym nie działają żadne siły zewnętrzne) jest proporcjonalna do napięcia \ (U \) w końce przewodu :

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

gdzie \(R\) = const.

wartość R nazywa opór elektryczny . Nazywa się przewodnik o oporności elektrycznej rezystor . Ten stosunek wyraża Prawo Ohma dla jednorodny odcinek łańcucha: Prąd w przewodniku jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji przewodnika.

W SI jednostką rezystancji elektrycznej przewodników jest Om (Om). Rezystancja 1 oma ma odcinek obwodu, w którym przy napięciu 1 V występuje prąd 1 A.

Przewodniki, które przestrzegają prawa Ohma, nazywane są liniowy . Graficzna zależność aktualnej siły \ (I \) od napięcia \ (U \) (takie wykresy są nazywane charakterystyka woltamperowa , w skrócie VAC) jest reprezentowana przez linię prostą przechodzącą przez początek. Należy zauważyć, że istnieje wiele materiałów i urządzeń, które nie przestrzegają prawa Ohma, jak np. dioda półprzewodnikowa czy lampa wyładowcza. Nawet w przypadku przewodników metalowych przy prądach o wystarczająco dużej wytrzymałości obserwuje się odchylenie od liniowego prawa Ohma, ponieważ opór elektryczny przewodników metalowych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

W przypadku sekcji obwodu zawierającej pole elektromagnetyczne prawo Ohma jest zapisane w następującej postaci:

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

Ten stosunek nazywa się uogólnione prawo Ohma lub Prawo Ohma dla niejednorodnego odcinka łańcucha.

Na ryc. 1.8.2 pokazuje zamknięty obwód DC. Sekcja łańcucha ( płyta CD) jest jednorodna.

Prawo Ohma

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

Intrygować ( ab) zawiera bieżące źródło z polem elektromagnetycznym równym \(\mathcal(E)\).

Zgodnie z prawem Ohma dla obszaru niejednorodnego,

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

Dodając obie równości otrzymujemy:

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

Ale \(\Delta\phi_(cd) = \Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab)\).

$$\kolor(niebieski)(I=\frac(\mathcal(E))(R + r))$$

Ta formuła wyraża Prawo Ohma dla pełnego obwodu : natężenie prądu w całym obwodzie jest równe sile elektromotorycznej źródła podzielonej przez sumę rezystancji jednorodnych i niejednorodnych odcinków obwodu (rezystancja źródła wewnętrznego).

Opór r obszar niejednorodny na ryc. 1.8.2 można zobaczyć jako rezystancja wewnętrzna źródła prądu . W tym przypadku fabuła ( ab) na ryc. 1.8.2 to wewnętrzna sekcja źródła. Jeśli punkty a oraz b blisko przewodnika, którego rezystancja jest niewielka w porównaniu z rezystancją wewnętrzną źródła (\ (R\ \ll r\)), wtedy obwód będzie płynął prąd zwarcia

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

Prąd zwarciowy to maksymalny prąd, jaki można uzyskać z danego źródła przy sile elektromotorycznej \(\mathcal(E)\) i rezystancji wewnętrznej \(r\). W przypadku źródeł o niskiej rezystancji wewnętrznej prąd zwarciowy może być bardzo duży i spowodować zniszczenie obwodu elektrycznego lub źródła. Na przykład akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w samochodach mogą mieć prąd zwarciowy rzędu kilkuset amperów. Szczególnie niebezpieczne są zwarcia w sieciach oświetleniowych zasilanych z podstacji (tysiące amperów). Aby uniknąć destrukcyjnego działania tak wysokich prądów, w obwodzie znajdują się bezpieczniki lub specjalne wyłączniki.

W niektórych przypadkach, aby zapobiec niebezpiecznym wartościom prądu zwarciowego, do źródła podłącza się szeregowo pewną rezystancję zewnętrzną. Następnie opór r jest równa sumie rezystancji wewnętrznej źródła i rezystancji zewnętrznej, a w przypadku zwarcia natężenie prądu nie będzie nadmiernie duże.

Jeśli obwód zewnętrzny jest otwarty, to \(\Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab) = \mathcal(E)\), czyli różnica potencjałów na biegunach otwartego akumulatora jest równa jego pole elektromagnetyczne.

Jeśli zewnętrzna rezystancja obciążenia R włączony i prąd płynie przez baterię I, różnica potencjałów na jego biegunach staje się równa

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

Na ryc. 1.8.3 to schematyczne przedstawienie źródła prądu stałego o sile elektromagnetycznej równej \(\mathcal(E)\) i rezystancji wewnętrznej r w trzech trybach: „idle”, praca pod obciążeniem i tryb zwarcia (zwarcie). Intensywność \(\overrightarrow(E)\) pola elektrycznego wewnątrz baterii i siły działające na ładunki dodatnie są wskazane: \(\overrightarrow(F)_(e)\) - siła elektryczna i \(\overrightarrow( F)_(st )\) jest siłą zewnętrzną. W trybie zwarcia zanika pole elektryczne wewnątrz akumulatora.

Do pomiaru napięć i prądów w obwodach elektrycznych prądu stałego stosuje się specjalne urządzenia - woltomierze oraz amperomierze.

Woltomierz przeznaczony do pomiaru różnicy potencjałów zastosowanej do jego zacisków. On łączy równoległy odcinek obwodu, na którym dokonywany jest pomiar różnicy potencjałów. Każdy woltomierz ma pewną rezystancję wewnętrzną \(R_(V)\). Aby woltomierz nie wprowadzał zauważalnej redystrybucji prądów po podłączeniu do mierzonego obwodu, jego rezystancja wewnętrzna musi być duża w porównaniu z rezystancją odcinka obwodu, do którego jest podłączony. Dla obwodu pokazanego na ryc. 1.8.4 warunek ten jest zapisany jako:

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

Warunek ten oznacza, że ​​prąd \(I_(V) = \Delta \phi_(cd) / R_(V)\) przepływający przez woltomierz jest znacznie mniejszy niż prąd \(I = \Delta \phi_(cd) / R_ (1 )\), który przepływa przez badany odcinek obwodu.

Ponieważ wewnątrz woltomierza nie działają żadne siły zewnętrzne, różnica potencjałów na jego zaciskach z definicji pokrywa się z napięciem. Dlatego możemy powiedzieć, że woltomierz mierzy napięcie.

Amperomierz przeznaczony do pomiaru prądu w obwodzie. Amperomierz jest połączony szeregowo z przerwą w obwodzie elektrycznym, dzięki czemu przepływa przez niego cały mierzony prąd. Amperomierz ma również pewną rezystancję wewnętrzną \(R_(A)\). W przeciwieństwie do woltomierza, rezystancja wewnętrzna amperomierza musi być wystarczająco mała w porównaniu z całkowitą rezystancją całego obwodu. Dla obwodu na ryc. 1.8.4 rezystancja amperomierza musi spełniać warunek

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

aby po włączeniu amperomierza prąd w obwodzie się nie zmieniał.

Przyrządy pomiarowe - woltomierze i amperomierze - są dwojakiego rodzaju: wskaźnikowe (analogowe) i cyfrowe. Cyfrowe liczniki elektryczne to złożone urządzenia elektroniczne. Zwykle przyrządy cyfrowe zapewniają wyższą dokładność pomiaru.

Warunki pojawienia się prądu

Współczesna nauka stworzyła teorie wyjaśniające procesy naturalne. Wiele procesów opiera się na jednym z modeli budowy atomu, tzw. modelu planetarnym. Zgodnie z tym modelem atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i ujemnie naładowanej chmury elektronów otaczającej jądro. Różne substancje składające się z atomów, w większości, są stabilne i niezmienione w swoich właściwościach w niezmienionych warunkach środowiskowych. Ale w przyrodzie istnieją procesy, które mogą zmienić stabilny stan substancji i wywołać w tych substancjach zjawisko zwane prądem elektrycznym.

Takim podstawowym procesem dla natury jest tarcie. Wiele osób wie, że jeśli przeczesujesz włosy grzebieniem wykonanym z określonego rodzaju tworzywa sztucznego lub nosisz ubrania wykonane z określonego rodzaju tkaniny, pojawia się efekt sklejania. Włosy są przyciągane do grzebienia i przyklejają się do niego, a to samo dzieje się z ubraniami. Efekt ten tłumaczy się tarciem, które narusza stabilność materiału grzebienia lub tkaniny. Chmura elektronów może poruszać się względem jądra lub częściowo zapadać się. W rezultacie substancja uzyskuje ładunek elektryczny, którego znak określa struktura tej substancji. Ładunek elektryczny wynikający z tarcia nazywany jest elektrostatycznym.

Okazuje się, że para naładowanych substancji. Każda substancja ma określony potencjał elektryczny. Pole elektryczne, w tym przypadku pole elektrostatyczne, działa na przestrzeń pomiędzy dwiema naładowanymi substancjami. Skuteczność pola elektrostatycznego zależy od wielkości potencjałów i jest definiowana jako różnica potencjałów lub napięcie.

• Gdy pojawia się napięcie, w przestrzeni między potencjałami pojawia się ukierunkowany ruch naładowanych cząstek substancji - prąd elektryczny.

Gdzie płynie prąd elektryczny?

W takim przypadku potencjały zmniejszą się, jeśli tarcie ustanie. I w końcu potencjały znikną, a substancje odzyskają stabilność.

Ale jeśli proces powstawania potencjałów i napięcia postępuje w kierunku ich wzrostu, prąd również wzrośnie zgodnie z właściwościami substancji wypełniających przestrzeń między potencjałami. Najbardziej oczywistą demonstracją takiego procesu jest piorun. Tarcie wznoszących się i opadających prądów powietrza o siebie prowadzi do pojawienia się ogromnego napięcia. W rezultacie jeden potencjał tworzą prądy wstępujące na niebie, a drugi prądy zstępujące na ziemi. I w końcu, ze względu na właściwości powietrza, powstaje prąd elektryczny w postaci błyskawicy.

• Pierwszą przyczyną prądu elektrycznego jest napięcie.
• Drugim powodem pojawienia się prądu elektrycznego jest przestrzeń, w której działa napięcie - jego wymiary i czym jest wypełnione.

Napięcie pochodzi nie tylko z tarcia. Do pojawienia się stresu prowadzą również inne procesy fizyczne i chemiczne, które zaburzają równowagę atomów materii. Napięcie powstaje też tylko w wyniku interakcji

• jedna substancja z inną substancją;
• jedna lub więcej substancji z polem lub promieniowaniem.

Stres może pochodzić z:

• reakcja chemiczna zachodząca w materii, na przykład we wszystkich bateriach i akumulatorach, a także we wszystkich żywych istotach;
• promieniowanie elektromagnetyczne, np. w panelach słonecznych i generatorach energii cieplnej;
• pole elektromagnetyczne, jak na przykład we wszystkich dynamach.

Prąd elektryczny ma naturę odpowiadającą substancji, w której płynie. Dlatego różni się:

• w metalach;

• w cieczach i gazach;

• w półprzewodnikach

W metalach prąd elektryczny składa się tylko z elektronów, w cieczach i gazach - z jonów, w półprzewodnikach - z elektronów i "dziur".

Prąd stały i przemienny

Napięcie w stosunku do jego potencjałów, których znaki pozostają niezmienione, może zmieniać się tylko pod względem wielkości.

• W takim przypadku pojawia się stały lub pulsujący prąd elektryczny.

Prąd elektryczny zależy od czasu trwania tej zmiany i właściwości przestrzeni wypełnionej materią między potencjałami.

• Ale jeśli znaki potencjałów zmieniają się, a to prowadzi do zmiany kierunku prądu, nazywa się to zmiennym, podobnie jak napięcie, które je określa.

Życie i prąd elektryczny

Do ilościowych i jakościowych ocen prądu elektrycznego we współczesnej nauce i technice stosuje się pewne prawa i wielkości. Główne prawa to:

• Prawo Coulomba;
• Prawo Ohma.

Charles Coulomb w latach 80. XVIII wieku określił pojawienie się napięcia, a Georg Ohm w latach 20. XIX wieku określił pojawienie się prądu elektrycznego.

W przyrodzie i ludzkiej cywilizacji służy głównie jako nośnik energii i informacji, a temat jej badania i wykorzystania jest równie rozległy jak samo życie. Na przykład badania wykazały, że wszystkie żywe organizmy żyją, ponieważ mięśnie serca kurczą się pod wpływem impulsów prądu elektrycznego generowanych w ciele. Wszystkie inne mięśnie działają w ten sam sposób. Podczas dzielenia komórka wykorzystuje informacje oparte na prądzie elektrycznym o ekstremalnie wysokich częstotliwościach. Spis podobnych faktów wraz z wyjaśnieniami można kontynuować w tomie książki.

Dokonano już wielu odkryć związanych z prądem elektrycznym, a jeszcze wiele pozostaje do zrobienia. Dlatego wraz z pojawieniem się nowych narzędzi badawczych pojawiają się nowe prawa, materiały i inne wyniki dla praktycznego wykorzystania tego zjawiska.

Elektryczność

Do Kategoria:

Operatorzy dźwigów i procarze

Elektryczność

Co nazywa się prądem elektrycznym?

Uporządkowany (kierowany) ruch naładowanych cząstek nazywany jest prądem elektrycznym. Co więcej, prąd elektryczny, którego siła nie zmienia się w czasie, nazywa się stałym. Jeśli kierunek obecnego ruchu zmienia się i zmienia. pod względem wielkości i kierunku powtarza się w tej samej kolejności, wtedy taki prąd nazywa się naprzemiennym.

Co powoduje i utrzymuje uporządkowany ruch naładowanych cząstek?

Powoduje i utrzymuje uporządkowany ruch pola elektrycznego naładowanych cząstek. Czy prąd elektryczny ma określony kierunek?
To ma. Kierunek prądu elektrycznego jest rozumiany jako ruch cząstek naładowanych dodatnio.

Czy można bezpośrednio obserwować ruch naładowanych cząstek w przewodniku?

Nie. Ale obecność prądu elektrycznego można ocenić na podstawie działań i zjawisk, z którymi mu towarzyszy. Na przykład przewodnik, wzdłuż którego poruszają się naładowane cząstki, jest ogrzewany, aw przestrzeni otaczającej przewodnik powstaje pole magnetyczne, a igła magnetyczna w pobliżu przewodnika obraca się z prądem elektrycznym. Ponadto prąd przepływający przez gazy powoduje ich świecenie, a przechodząc przez roztwory soli, zasad i kwasów rozkłada je na części składowe.

Co decyduje o sile prądu elektrycznego?

Siła prądu elektrycznego zależy od ilości energii elektrycznej przechodzącej przez przekrój przewodnika w jednostce czasu.
Aby określić natężenie prądu w obwodzie, konieczne jest podzielenie ilości przepływającej energii elektrycznej przez czas, w którym przepływa.

Jaka jest jednostka prądu?

Jednostką natężenia prądu jest siła niezmiennego prądu, który przechodząc przez dwa równoległe przewody prostoliniowe o nieskończonej długości o nawet małym przekroju, znajdujące się w odległości 1 m od siebie, spowodowałby siła między tymi przewodnikami równa 2 niutonom na metr. Jednostka ta została nazwana Ampere na cześć francuskiego naukowca Ampère.

Jaka jest jednostka ilości energii elektrycznej?

Kulomb (Ku) jest jednostką energii elektrycznej, która przechodzi w ciągu jednej sekundy przy natężeniu prądu 1 ampera (A).

Jaki instrument służy do pomiaru prądu elektrycznego?

Siła prądu elektrycznego jest mierzona przez urządzenia zwane amperomierzami. Skala amperomierza jest kalibrowana w amperach i ułamkach ampera zgodnie z odczytami dokładnych przyrządów standardowych. Aktualna siła liczona jest zgodnie ze wskazaniami strzałki, która porusza się po podziałce od zera. Amperomierz jest połączony szeregowo z obwodem elektrycznym za pomocą dwóch zacisków lub zacisków dostępnych na urządzeniu. Co to jest napięcie elektryczne?
Napięcie prądu elektrycznego to różnica potencjałów między dwoma punktami w polu elektrycznym. Jest równy pracy wykonanej przez siły pola elektrycznego podczas przenoszenia ładunku dodatniego równego jedności z jednego punktu pola do drugiego.

Podstawową jednostką pomiaru napięcia jest wolt (V).

Jaki przyrząd mierzy napięcie prądu elektrycznego?

Urządzenie mierzy napięcie prądu elektrycznego; rum, który nazywa się woltomierzem. Woltomierz jest połączony równolegle w obwodzie elektrycznym. Sformułuj prawo Ohma na odcinku obwodu.

Co to jest rezystancja przewodnika?

Rezystancja przewodnika jest wielkością fizyczną charakteryzującą właściwości przewodnika. Jednostką oporu jest om. Ponadto rezystancja 1 oma ma przewód, w którym prąd 1 A jest ustawiony na napięcie na końcach 1 V.

Czy opór w przewodnikach zależy od wielkości przepływającego przez nie prądu elektrycznego?

Rezystancja jednorodnego przewodnika metalowego o określonej długości i przekroju nie zależy od wielkości przepływającego przez niego prądu.

Od czego zależy rezystancja w przewodach elektrycznych?

Rezystancja w przewodnikach prądu elektrycznego zależy od długości przewodnika, jego pola przekroju oraz rodzaju materiału przewodnika (rezystywności materiału).

Ponadto rezystancja jest wprost proporcjonalna do długości przewodnika, odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju i zależy, jak wspomniano powyżej, od materiału przewodnika.

Czy rezystancja w przewodach zależy od temperatury?

Tak, to zależy. Wzrost temperatury przewodnika metalowego powoduje wzrost szybkości ruchu termicznego cząstek. Prowadzi to do wzrostu liczby zderzeń swobodnych elektronów, a w konsekwencji do zmniejszenia średniej drogi swobodnej, w wyniku czego spada przewodność właściwa i wzrasta rezystywność materiału.

Współczynnik temperaturowy odporności czystych metali wynosi około 0,004 °C, co oznacza wzrost ich odporności o 4% przy wzroście temperatury o 10 °C.

Wraz ze wzrostem temperatury w węglu elektrolitycznym zmniejsza się również średnia droga swobodna, natomiast wzrasta koncentracja nośników ładunku, w wyniku czego ich rezystywność maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Sformułuj prawo Ohma dla obwodu zamkniętego.

Natężenie prądu w obwodzie zamkniętym jest równe stosunkowi siły elektromotorycznej obwodu do jego całkowitej rezystancji.

Wzór ten pokazuje, że siła prądu zależy od trzech wielkości: siły elektromotorycznej E, rezystancji zewnętrznej R i rezystancji wewnętrznej r. Rezystancja wewnętrzna nie ma zauważalnego wpływu na natężenie prądu, jeśli jest ona niewielka w porównaniu z rezystancją zewnętrzną. W takim przypadku napięcie na zaciskach źródła prądu jest w przybliżeniu równe sile elektromotorycznej (EMF).

Co to jest siła elektromotoryczna (EMF)?

Siła elektromotoryczna jest stosunkiem pracy sił zewnętrznych w celu przemieszczenia ładunku wzdłuż obwodu do ładunku. Podobnie jak różnica potencjałów, siła elektromotoryczna jest mierzona w woltach.

Jakie siły nazywamy siłami zewnętrznymi?

Wszelkie siły działające na cząstki naładowane elektrycznie, z wyjątkiem sił potencjalnych pochodzenia elektrostatycznego (tj. Coulomba), nazywane są siłami zewnętrznymi. To dzięki działaniu tych sił naładowane cząstki zdobywają energię, a następnie oddają ją, poruszając się w przewodach obwodu elektrycznego.

Siły stron trzecich wprawiają w ruch naładowane cząstki wewnątrz źródła prądu, generatora, akumulatora itp.

W rezultacie na zaciskach źródła prądu pojawiają się ładunki o przeciwnym znaku i pewna różnica potencjałów między zaciskami. Ponadto, gdy obwód jest zamknięty, zaczyna działać powstawanie ładunków powierzchniowych, tworząc pole elektryczne w całym obwodzie, które pojawia się w wyniku tego, że gdy obwód jest zamknięty, ładunek powierzchniowy powstaje prawie natychmiast na całej powierzchni dyrygenta. Wewnątrz źródła ładunki poruszają się pod działaniem sił zewnętrznych wbrew siłom pola elektrostatycznego (dodatnie od minus do plus), a przez resztę obwodu są wprawiane w ruch przez pole elektryczne.

Ryż. 1. Obwód elektryczny: 1- źródło, energia elektryczna (akumulator); 2 - amperomierz; 3 - następca energii (kładzenie na żarówce); 4 - przewody elektryczne; 5 - jednobiegunowy ruSidnik; 6 - bezpieczniki

Co to jest prąd elektryczny?

Kierunkowy ruch cząstek naładowanych elektrycznie pod wpływem . Takimi cząstkami mogą być: w przewodnikach - elektrony, w elektrolitach - jony (kationy i aniony), w półprzewodnikach - elektrony i tzw. "dziury" ("przewodnictwo dziury elektronowej"). Istnieje również „prąd polaryzacji”, którego przepływ wynika z procesu ładowania pojemności, tj. zmiana różnicy potencjałów między płytami. Między płytami nie ma ruchu cząstek, ale prąd przepływa przez kondensator.

W teorii obwodów elektrycznych prąd uważany jest za ukierunkowany ruch nośników ładunku w ośrodku przewodzącym pod działaniem pola elektrycznego.

Prąd przewodzenia (po prostu prąd) w teorii obwodów elektrycznych to ilość energii elektrycznej przepływającej w jednostce czasu przez przekrój przewodu: i \u003d q / t, gdzie i jest prądem. ALE; q \u003d 1,6 10 9 - ładunek elektronu, C; t - czas, s.

To wyrażenie dotyczy obwodów prądu stałego. W przypadku obwodów prądu przemiennego stosuje się tak zwaną wartość prądu chwilowego, równą szybkości zmiany ładunku w czasie: i (t) \u003d dq / dt.

Prąd elektryczny występuje, gdy na odcinku obwodu elektrycznego pojawia się pole elektryczne lub różnica potencjałów między dwoma punktami przewodnika. Różnica potencjałów między dwoma punktami nazywana jest napięciem lub spadek napięcia w tej części obwodu.

Zamiast terminu „prąd” („wartość bieżąca”) często używa się terminu „natężenie prądu”. Jednak tego ostatniego nie można nazwać sukcesem, ponieważ siła prądu nie jest jakąkolwiek siłą w dosłownym tego słowa znaczeniu, a jedynie intensywnością ruchu ładunków elektrycznych w przewodniku, ilością energii elektrycznej przechodzącej w jednostce czasu przez krzyż -przekrój przewodnika.
Charakteryzuje się prąd, który w układzie SI jest mierzony w amperach (A), oraz gęstość prądu, która w układzie SI jest mierzona w amperach na metr kwadratowy.
Jeden amper odpowiada ruchowi przez przekrój przewodnika przez jedną sekundę (s) ładunku elektrycznego jednego wisiorka (C):

1A = 1C/s.

W ogólnym przypadku, oznaczając prąd literą i, a opłatę q, otrzymujemy:

ja = dq / dt.

Jednostką prądu jest amper (A). Prąd w przewodzie wynosi 1 A, jeśli ładunek elektryczny równy 1 zawieszce przechodzi przez przekrój przewodu w ciągu 1 sekundy.

Jeśli napięcie działa wzdłuż przewodnika, wewnątrz przewodnika powstaje pole elektryczne. Gdy natężenie pola E, na elektrony o ładunku e wpływa siła f = Ee. Wartości f i E są wektorowe. W czasie swobodnej drogi elektrony nabierają ruchu ukierunkowanego wraz z ruchem chaotycznym. Każdy elektron ma ładunek ujemny i otrzymuje składową prędkości skierowaną przeciwnie do wektora E (rys. 1). Ruch uporządkowany, charakteryzujący się pewną średnią prędkością elektronów vcp, determinuje przepływ prądu elektrycznego.

Elektrony mogą również mieć ukierunkowany ruch w rozrzedzonych gazach. W elektrolitach i zjonizowanych gazach przepływ prądu wynika głównie z ruchu jonów. W związku z faktem, że w elektrolitach jony naładowane dodatnio przemieszczają się z bieguna dodatniego do bieguna ujemnego, historycznie kierunek prądu przyjmowano jako przeciwny do kierunku elektronów.

Bieżący kierunek jest kierunkiem, w którym poruszają się dodatnio naładowane cząstki, tj. kierunek przeciwny do ruchu elektronów.
W teorii obwodów elektrycznych jako kierunek przepływu prądu w obwodzie pasywnym (poza źródłami energii) przyjmuje się kierunek ruchu cząstek naładowanych dodatnio z potencjału wyższego na niższy. Kierunek ten został przyjęty na samym początku rozwoju elektrotechniki i jest sprzeczny z prawdziwym kierunkiem ruchu nośników ładunku - elektronów poruszających się w ośrodkach przewodzących od minusa do plusa.

Wartość równa stosunkowi prądu do pola przekroju S nazywana jest gęstością prądu (oznaczoną δ): δ= JEST

Zakłada się, że prąd jest równomiernie rozłożony na przekroju przewodu. Gęstość prądu w przewodach jest zwykle mierzona w A/mm2.

Rozróżnia się je w zależności od rodzaju nośników ładunków elektrycznych i ośrodka ich ruchu prądy przewodzenia i prądy przemieszczenia. Przewodnictwo dzieli się na elektroniczne i jonowe. W przypadku trybów stałych rozróżnia się dwa rodzaje prądów: stały i przemienny.

Przesył prądu elektrycznego nazwany zjawiskiem przenoszenia ładunków elektrycznych przez naładowane cząstki lub ciała poruszające się w wolnej przestrzeni. Głównym rodzajem transferu prądu elektrycznego jest ruch w pustce cząstek elementarnych z ładunkiem (ruch swobodnych elektronów w lampach elektronowych), ruch wolnych jonów w urządzeniach wyładowczych.

Prąd przesunięcia elektrycznego (prąd polaryzacji) zwany uporządkowanym ruchem związanych nośników ładunków elektrycznych. Ten rodzaj prądu można zaobserwować w dielektrykach.
Pełny prąd elektryczny jest wartością skalarną równą sumie prądu przewodzenia elektrycznego, prądu transferu elektrycznego i prądu przesunięcia elektrycznego przez rozważaną powierzchnię.

Prąd stały to prąd, który może zmieniać się pod względem wielkości, ale nie zmienia swojego znaku przez dowolnie długi czas. Przeczytaj więcej na ten temat tutaj:

Prąd przemienny to prąd, który okresowo zmienia się zarówno pod względem wielkości, jak i znaku.Wielkości charakteryzującą prąd przemienny jest częstotliwość (w układzie SI jest mierzona w hercach), w przypadku gdy jego siła zmienia się okresowo. Prąd przemienny o wysokiej częstotliwości wypchnięty na powierzchnię przewodnika. Prądy wysokiej częstotliwości są stosowane w inżynierii mechanicznej do obróbki cieplnej powierzchni części i spawania, w metalurgii do topienia metali.Prądy przemienne dzielą się na sinusoidalne i niesinusoidalny. Prąd sinusoidalny to prąd, który zmienia się zgodnie z prawem harmonicznym:

i = jestem grzechem ωt,

Charakteryzuje się nim szybkość zmian prądu przemiennego, definiowana jako liczba pełnych powtarzalnych oscylacji w jednostce czasu. Częstotliwość jest oznaczona literą f i jest mierzona w hercach (Hz). Tak więc częstotliwość prądu w sieci 50 Hz odpowiada 50 całkowitym oscylacjom na sekundę. Częstotliwość kątowa ω jest szybkością zmiany prądu w radianach na sekundę i jest powiązana z częstotliwością prostą zależnością:

ω = 2πf

Stałe (stałe) wartości prądów stałych i przemiennych oznacz z dużej litery I wartości niestabilne (chwilowe) - literą i. Warunkowo dodatni kierunek prądu jest uważany za kierunek ruchu ładunków dodatnich.

Jest to prąd, który z biegiem czasu zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym.

Prąd przemienny oznacza również prąd w konwencjonalnych sieciach jedno- i trójfazowych. W takim przypadku parametry prądu przemiennego zmieniają się zgodnie z prawem harmonicznym.

Ponieważ prąd przemienny zmienia się w czasie, proste metody rozwiązywania problemów odpowiednie dla obwodów prądu stałego nie mają tu bezpośredniego zastosowania. Przy bardzo wysokich częstotliwościach ładunki mogą oscylować - przepływać z jednego miejsca w obwodzie do drugiego iz powrotem. W takim przypadku, w przeciwieństwie do obwodów prądu stałego, prądy w przewodach połączonych szeregowo mogą nie być takie same. Pojemności obecne w obwodach prądu przemiennego wzmacniają ten efekt. Ponadto, gdy zmienia się prąd, w grę wchodzą efekty samoindukcji, które stają się znaczące nawet przy niskich częstotliwościach, jeśli stosuje się cewki o dużych indukcyjnościach. Przy stosunkowo niskich częstotliwościach obwody prądu przemiennego nadal można obliczyć za pomocą , które jednak należy odpowiednio zmodyfikować.

Obwód zawierający różne rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory można uznać za złożony z uogólnionego rezystora, kondensatora i cewki indukcyjnej połączonych szeregowo.

Rozważ właściwości takiego obwodu podłączonego do alternatora sinusoidalnego. W celu sformułowania zasad projektowania obwodów prądu przemiennego konieczne jest znalezienie zależności pomiędzy spadkiem napięcia a prądem dla każdego z elementów takiego obwodu.

Pełni zupełnie inne role w obwodach AC i DC. Jeśli na przykład element elektrochemiczny zostanie podłączony do obwodu, kondensator zacznie się ładować, aż napięcie na nim stanie się równe sile elektromotorycznej elementu. Następnie ładowanie zostanie zatrzymane, a prąd spadnie do zera. Jeśli obwód jest podłączony do alternatora, to w jednym półcyklu elektrony będą płynąć z lewej strony kondensatora i gromadzą się po prawej, i odwrotnie w drugim. Te poruszające się elektrony są prądem przemiennym, którego siła jest taka sama po obu stronach kondensatora. Dopóki częstotliwość prądu przemiennego nie jest bardzo wysoka, prąd płynący przez rezystor i cewkę jest również taki sam.

W urządzeniach zużywających prąd przemienny prąd przemienny jest często prostowany przez prostowniki w celu wytworzenia prądu stałego.

Przewodniki elektryczne

Materiał, w którym płynie prąd, jest nazywany. Niektóre materiały stają się nadprzewodzące w niskich temperaturach. W tym stanie prawie nie stawiają oporu prądowi, ich opór dąży do zera. We wszystkich innych przypadkach przewodnik opiera się przepływowi prądu, w wyniku czego część energii cząstek elektrycznych jest przekształcana w ciepło. Natężenie prądu można obliczyć za pomocą dla odcinka obwodu i prawa Ohma dla całego obwodu.

Prędkość cząstek w przewodnikach zależy od materiału przewodnika, masy i ładunku cząstki, temperatury otoczenia, przyłożonej różnicy potencjałów i jest znacznie mniejsza niż prędkość światła. Mimo to prędkość propagacji rzeczywistego prądu elektrycznego jest równa prędkości światła w danym ośrodku, czyli prędkości propagacji czoła fali elektromagnetycznej.

Jak prąd wpływa na organizm człowieka

Prąd przepływający przez ciało ludzkie lub zwierzęce może spowodować oparzenia elektryczne, migotanie lub śmierć. Z drugiej strony prąd elektryczny jest używany na intensywnej terapii, w leczeniu chorób psychicznych, zwłaszcza depresji, stymulacja elektryczna niektórych obszarów mózgu jest stosowana w leczeniu chorób, takich jak choroba Parkinsona i padaczka, rozrusznik stymulujący mięsień sercowy z prądem pulsacyjnym stosuje się do bradykardii. U ludzi i zwierząt prąd służy do przekazywania impulsów nerwowych.

Zgodnie ze środkami ostrożności minimalny odczuwalny prąd wynosi 1 mA. Prąd staje się niebezpieczny dla ludzkiego życia, począwszy od natężenia około 0,01 A. Prąd staje się śmiertelny dla osoby, począwszy od natężenia około 0,1 A. Napięcie poniżej 42 V uważa się za bezpieczne.

Przede wszystkim warto dowiedzieć się, czym jest prąd elektryczny. Prąd elektryczny to uporządkowany ruch naładowanych cząstek w przewodniku. Aby tak się stało, najpierw musi zostać wytworzone pole elektryczne, pod wpływem którego zaczną się poruszać wspomniane wyżej naładowane cząstki.

Pierwsze informacje o elektryczności, które pojawiły się wiele wieków temu, dotyczyły „ładunków” elektrycznych uzyskanych w wyniku tarcia. Już w starożytności wiedzieli, że bursztyn noszony na wełnie nabiera zdolności przyciągania lekkich przedmiotów. Ale dopiero pod koniec XVI wieku angielski lekarz Gilbert szczegółowo zbadał to zjawisko i odkrył, że wiele innych substancji ma dokładnie takie same właściwości. Ciała zdolne, jak bursztyn, po natarciu do przyciągania lekkich przedmiotów, nazwał naelektryzowanymi. Słowo to pochodzi od greckiego elektronu – „bursztyn”. Obecnie mówimy, że na ciałach w tym stanie znajdują się ładunki elektryczne, a same ciała nazywane są „naładowanymi”.

Ładunki elektryczne powstają zawsze, gdy różne substancje są w bliskim kontakcie. Jeśli ciała są lite, to ich bliski kontakt uniemożliwiają mikroskopijne wypukłości i nierówności, które występują na ich powierzchni. Ściskając takie ciała i pocierając je o siebie, łączymy ze sobą ich powierzchnie, które bez nacisku stykałyby się tylko w kilku punktach. W niektórych ciałach ładunki elektryczne mogą swobodnie przemieszczać się między różnymi częściami, podczas gdy w innych nie jest to możliwe. W pierwszym przypadku korpusy nazywane są „przewodnikami”, aw drugim - „dielektrykami lub izolatorami”. Przewodnikami są wszystkie metale, wodne roztwory soli i kwasów itp. Przykładami izolatorów są bursztyn, kwarc, ebonit i wszystkie gazy, które są w normalnych warunkach.

Niemniej jednak należy zauważyć, że podział ciał na przewodniki i dielektryki jest bardzo arbitralny. Wszystkie substancje przewodzą prąd elektryczny w mniejszym lub większym stopniu. Ładunki elektryczne są albo dodatnie, albo ujemne. Ten rodzaj prądu nie potrwa długo, ponieważ naelektryzowane ciało wyczerpie się. Do ciągłego istnienia prądu elektrycznego w przewodniku konieczne jest utrzymanie pola elektrycznego. Do tych celów wykorzystywane są źródła prądu elektrycznego. Najprostszym przypadkiem wystąpienia prądu elektrycznego jest podłączenie jednego końca przewodu do ciała naelektryzowanego, a drugiego do ziemi.

Obwody elektryczne dostarczające prąd do żarówek oświetleniowych i silników elektrycznych pojawiły się dopiero po wynalezieniu baterii, które datuje się na około 1800 r. Następnie rozwój doktryny o elektryczności potoczył się tak szybko, że w ciągu niespełna wieku stała się nie tylko częścią fizyki, ale stanowiła podstawę nowej cywilizacji elektrycznej.

Główne wielkości prądu elektrycznego

Ilość energii elektrycznej i natężenie prądu. Skutki prądu elektrycznego mogą być silne lub słabe. Siła prądu elektrycznego zależy od ilości ładunku, który przepływa przez obwód w określonej jednostce czasu. Im więcej elektronów przesunęło się z jednego bieguna źródła na drugi, tym większy całkowity ładunek przenoszony przez elektrony. Ten całkowity ładunek nazywa się ilością energii elektrycznej przechodzącej przez przewodnik.

W szczególności efekt chemiczny prądu elektrycznego zależy od ilości energii elektrycznej, tj. im więcej ładunku przepłynie przez roztwór elektrolitu, tym więcej substancji osiądzie na katodzie i anodzie. W związku z tym ilość energii elektrycznej można obliczyć, ważąc masę substancji osadzonej na elektrodzie i znając masę i ładunek jednego jonu tej substancji.

Natężenie prądu jest wielkością równą stosunkowi ładunku elektrycznego, który przeszedł przez przekrój przewodnika, do czasu jego przepływu. Jednostką ładunku jest kulomb (C), czas mierzony jest w sekundach (s). W tym przypadku jednostka natężenia prądu jest wyrażona w C/s. Ta jednostka nazywa się amper (A). Do pomiaru natężenia prądu w obwodzie stosuje się elektryczne urządzenie pomiarowe zwane amperomierzem. W celu włączenia do obwodu amperomierz jest wyposażony w dwa zaciski. Jest włączony w obwód szeregowo.

napięcie elektryczne. Wiemy już, że prąd elektryczny to uporządkowany ruch naładowanych cząstek – elektronów. Ruch ten jest tworzony za pomocą pola elektrycznego, które wykonuje pewną pracę. Zjawisko to nazywa się pracą prądu elektrycznego. Aby przenieść więcej ładunku przez obwód elektryczny w ciągu 1 sekundy, pole elektryczne musi wykonać więcej pracy. Na tej podstawie okazuje się, że praca prądu elektrycznego powinna zależeć od siły prądu. Ale jest jeszcze inna wartość, od której zależy praca prądu. Ta wartość nazywana jest napięciem.

Napięcie to stosunek pracy prądu w pewnym odcinku obwodu elektrycznego do ładunku przepływającego przez ten sam odcinek obwodu. Aktualna praca mierzona jest w dżulach (J), ładunek mierzony jest w wisiorkach (C). W związku z tym jednostką pomiaru napięcia będzie 1 J/C. Ta jednostka nazywa się wolt (V).

Aby w obwodzie elektrycznym pojawiło się napięcie, potrzebne jest źródło prądu. W obwodzie otwartym napięcie jest obecne tylko na zaciskach źródła prądu. Jeśli to źródło prądu jest zawarte w obwodzie, napięcie pojawi się również w niektórych sekcjach obwodu. W związku z tym w obwodzie będzie również prąd. Oznacza to, że pokrótce możemy powiedzieć, co następuje: jeśli w obwodzie nie ma napięcia, nie ma prądu. Do pomiaru napięcia wykorzystywane jest elektryczne urządzenie pomiarowe zwane woltomierzem. Z wyglądu przypomina wspomniany wcześniej amperomierz, z tą różnicą, że na skali woltomierza znajduje się litera V (zamiast A na amperomierzu). Woltomierz ma dwa zaciski, za pomocą których jest połączony równolegle z obwodem elektrycznym.

Opór elektryczny. Po podłączeniu wszelkiego rodzaju przewodów i amperomierza do obwodu elektrycznego można zauważyć, że przy użyciu różnych przewodów amperomierz podaje różne odczyty, czyli w tym przypadku natężenie prądu dostępne w obwodzie elektrycznym jest różne. Zjawisko to można wytłumaczyć tym, że różne przewodniki mają różną rezystancję elektryczną, która jest wielkością fizyczną. Na cześć niemieckiego fizyka została nazwana Ohm. Z reguły w fizyce stosuje się większe jednostki: kiloom, megaom itp. Rezystancja przewodnika jest zwykle oznaczana literą R, długość przewodu to L, pole przekroju to S. W tym przypadku rezystancja może być zapisany jako formuła:

R = R * L/S

gdzie współczynnik p nazywamy opornością. Współczynnik ten wyraża rezystancję przewodu o długości 1 m i powierzchni przekroju równej 1 m2. Rezystywność wyrażana jest w omach x m. Ponieważ druty z reguły mają raczej mały przekrój, ich powierzchnie są zwykle wyrażane w milimetrach kwadratowych. W tym przypadku jednostką rezystywności będzie Ohm x mm2/m. W poniższej tabeli. 1 pokazuje oporność niektórych materiałów.

Zgodnie z tabelą. 1 staje się jasne, że miedź ma najmniejszą oporność elektryczną, a stop metali największą. Ponadto dielektryki (izolatory) mają wysoką rezystywność.

Pojemność elektryczna. Wiemy już, że dwa izolowane od siebie przewodniki mogą gromadzić ładunki elektryczne. Zjawisko to charakteryzuje się wielkością fizyczną, którą nazywamy pojemnością elektryczną. Pojemność elektryczna dwóch przewodników to nic innego jak stosunek ładunku jednego z nich do różnicy potencjałów między tym przewodnikiem a sąsiednim. Im niższe napięcie, gdy przewodniki otrzymują ładunek, tym większa jest ich pojemność. Farad (F) jest traktowany jako jednostka pojemności elektrycznej. W praktyce stosuje się frakcje tej jednostki: mikrofarad (µF) i pikofarad (pF).

Jeśli weźmiesz dwa izolowane od siebie przewodniki, umieść je w niewielkiej odległości od siebie, otrzymasz kondensator. Pojemność kondensatora zależy od grubości jego płyt oraz grubości dielektryka i jego przepuszczalności. Zmniejszając grubość dielektryka między płytami kondensatora, można znacznie zwiększyć pojemność tego ostatniego. Na wszystkich kondensatorach, oprócz ich pojemności, należy podać napięcie, dla którego zaprojektowane są te urządzenia.

Praca i moc prądu elektrycznego. Z powyższego jasno wynika, że ​​prąd elektryczny wykonuje pewną pracę. Po podłączeniu silników elektrycznych prąd elektryczny powoduje pracę wszelkiego rodzaju urządzeń, porusza pociągi po szynach, oświetla ulice, ogrzewa dom, a także wywołuje efekt chemiczny, czyli umożliwia elektrolizę itp. Można tak powiedzieć praca prądu w pewnym odcinku obwodu jest równa prądowi produktu, napięciu i czasowi wykonania pracy. Praca jest mierzona w dżulach, napięcie w woltach, prąd w amperach, a czas w sekundach. W związku z tym 1 J = 1 V x 1 A x 1s. Z tego wynika, że ​​aby zmierzyć pracę prądu elektrycznego, należy użyć jednocześnie trzech urządzeń: amperomierza, woltomierza i zegara. Ale to jest kłopotliwe i nieefektywne. Dlatego zwykle pracę prądu elektrycznego mierzy się za pomocą liczników elektrycznych. Urządzenie tego urządzenia zawiera wszystkie powyższe urządzenia.

Moc prądu elektrycznego jest równa stosunkowi pracy prądu do czasu, w którym została wykonana. Moc oznaczona jest literą „P” i wyrażona w watach (W). W praktyce stosuje się kilowaty, megawaty, hektowaty itp. Aby zmierzyć moc obwodu, należy wziąć watomierz. Praca elektryczna jest wyrażona w kilowatogodzinach (kWh).

Podstawowe prawa prądu elektrycznego

Prawo Ohma. Napięcie i prąd są uważane za najwygodniejsze cechy obwodów elektrycznych. Jedną z głównych cech wykorzystania energii elektrycznej jest szybki transport energii z jednego miejsca do drugiego i przekazanie konsumentowi pożądanej postaci. Iloczyn różnicy potencjałów i natężenia prądu daje moc, czyli ilość energii oddanej w obwodzie w jednostce czasu. Jak wspomniano powyżej, aby zmierzyć moc w obwodzie elektrycznym, potrzeba 3 urządzeń. Czy można zrobić z jednym i obliczyć moc na podstawie jego odczytów i niektórych cech obwodu, takich jak jego rezystancja? Wielu ludziom spodobał się ten pomysł, uznali go za owocny.

Jaka jest więc rezystancja przewodu lub całego obwodu? Czy drut, podobnie jak rury wodne lub rury w systemie próżniowym, ma stałą właściwość, którą można nazwać oporem? Na przykład w rurach stosunek różnicy ciśnień tworzących przepływ do natężenia przepływu jest zwykle stałą charakterystyką rury. W ten sam sposób przepływ ciepła w przewodzie podlega prostej zależności, na którą składa się różnica temperatur, pole przekroju poprzecznego przewodu i jego długość. Odkrycie takiej zależności dla obwodów elektrycznych było wynikiem udanych poszukiwań.

W latach 20. XIX wieku niemiecki nauczyciel Georg Ohm jako pierwszy zaczął szukać powyższej proporcji. Przede wszystkim aspirował do sławy i sławy, która pozwoliłaby mu uczyć na uniwersytecie. To był jedyny powód, dla którego wybrał kierunek studiów, który oferował szczególne korzyści.

Om był synem ślusarza, więc umiał rysować drut metalowy o różnej grubości, którego potrzebował do eksperymentów. Ponieważ w tamtych czasach nie można było kupić odpowiedniego drutu, Om zrobił to własnymi rękami. Podczas eksperymentów próbował różnych długości, różnych grubości, różnych metali, a nawet różnych temperatur. Wszystkie te czynniki zmieniał się po kolei. W czasach Ohma baterie były nadal słabe, dając prąd o zmiennej wielkości. W związku z tym badacz wykorzystał termoparę jako generator, którego gorące złącze zostało umieszczone w płomieniu. Ponadto użył prymitywnego amperomierza magnetycznego i zmierzył różnice potencjałów (Ohm nazwał je „napięciami”), zmieniając temperaturę lub liczbę złączy termicznych.

Doktryna obwodów elektrycznych właśnie się rozwinęła. Po wynalezieniu baterii około 1800 roku zaczął się rozwijać znacznie szybciej. Projektowano i produkowano różne urządzenia (dość często ręcznie), odkrywano nowe prawa, pojawiały się pojęcia i terminy itp. Wszystko to prowadziło do głębszego zrozumienia zjawisk i czynników elektrycznych.

Odnowa wiedzy o elektryczności z jednej strony spowodowała pojawienie się nowej dziedziny fizyki, z drugiej zaś była podstawą szybkiego rozwoju elektrotechniki tj. baterii, generatorów, układów zasilania oświetlenia i wynaleziono napęd elektryczny, piece elektryczne, silniki elektryczne itp., inne.

Odkrycia Ohma miały ogromne znaczenie zarówno dla rozwoju teorii elektryczności, jak i dla rozwoju elektrotechniki stosowanej. Ułatwili przewidywanie właściwości obwodów elektrycznych dla prądu stałego, a później dla prądu przemiennego. W 1826 Ohm opublikował książkę, w której przedstawił teoretyczne wnioski i wyniki eksperymentów. Ale jego nadzieje okazały się nieuzasadnione, książka spotkała się z kpiną. Stało się tak, ponieważ metoda surowego eksperymentowania wydawała się mało atrakcyjna w czasach, gdy wielu ludzi lubowało się w filozofii.

Omu nie miał innego wyjścia, jak porzucić stanowisko nauczyciela. Z tego samego powodu nie udało mu się dostać na uczelnię. Naukowiec przez 6 lat żył w biedzie, bez wiary w przyszłość, doświadczając uczucia gorzkiego rozczarowania.

Ale stopniowo jego prace zyskały sławę najpierw poza granicami Niemiec. Om był szanowany za granicą, wykorzystano jego badania. W związku z tym rodacy zostali zmuszeni do rozpoznania go w swojej ojczyźnie. W 1849 otrzymał profesurę na Uniwersytecie Monachijskim.

Ohm odkrył proste prawo, które ustala zależność między natężeniem prądu a napięciem dla kawałka drutu (dla części obwodu, dla całego obwodu). Ponadto stworzył zasady, które pozwalają określić, co się zmieni, jeśli weźmiesz drut o innym rozmiarze. Prawo Ohma jest sformułowane w następujący sposób: siła prądu w sekcji obwodu jest wprost proporcjonalna do napięcia w tej sekcji i odwrotnie proporcjonalna do rezystancji sekcji.

Prawo Joule'a-Lenza. Prąd elektryczny w dowolnej części obwodu wykonuje pewną pracę. Weźmy na przykład jakiś odcinek obwodu, między końcami którego jest napięcie (U). Zgodnie z definicją napięcia elektrycznego praca wykonana przy przenoszeniu jednostki ładunku między dwoma punktami jest równa U. Jeżeli natężenie prądu w danym odcinku obwodu wynosi i, to ładunek minie w czasie t, a zatem praca prądu elektrycznego w tej sekcji będzie:

A = Ujt

To wyrażenie jest ważne dla prądu stałego w każdym przypadku, dla dowolnego odcinka obwodu, który może zawierać przewodniki, silniki elektryczne itp. Aktualna moc, tj. praca na jednostkę czasu, jest równa:

P \u003d A / t \u003d Ui

Ten wzór jest używany w układzie SI do określenia jednostki napięcia.

Załóżmy, że odcinek obwodu jest przewodem stałym. W takim przypadku cała praca zamieni się w ciepło, które zostanie uwolnione w tym przewodniku. Jeśli przewodnik jest jednorodny i spełnia prawo Ohma (dotyczy to wszystkich metali i elektrolitów), to:

U=ir

gdzie r jest oporem przewodnika. W tym przypadku:

A = rt2i

Prawo to zostało po raz pierwszy wyprowadzone empirycznie przez E. Lenza i, niezależnie od niego, przez Joule'a.

Należy zauważyć, że nagrzewanie przewodników znajduje liczne zastosowania w inżynierii. Najpopularniejszymi i najważniejszymi z nich są żarowe lampy oświetleniowe.

Prawo indukcji elektromagnetycznej. W pierwszej połowie XIX wieku angielski fizyk M. Faraday odkrył zjawisko indukcji magnetycznej. Fakt ten, który stał się własnością wielu badaczy, dał potężny impuls do rozwoju elektrotechniki i radiotechniki.

W trakcie eksperymentów Faraday odkrył, że gdy zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej przenikających powierzchnię ograniczoną zamkniętą pętlą, powstaje w niej prąd elektryczny. To jest podstawa być może najważniejszego prawa fizyki – prawa indukcji elektromagnetycznej. Prąd występujący w obwodzie nazywa się indukcyjnym. Ponieważ prąd elektryczny występuje w obwodzie tylko w przypadku sił zewnętrznych działających na swobodne ładunki, to przy zmieniającym się strumieniu magnetycznym przechodzącym po powierzchni obwodu zamkniętego pojawiają się w nim te same siły zewnętrzne. Działanie sił zewnętrznych w fizyce nazywa się siłą elektromotoryczną lub indukcyjnym polem elektromagnetycznym.

Indukcja elektromagnetyczna pojawia się również w otwartych przewodnikach. W przypadku, gdy przewodnik przecina linie pola magnetycznego, na jego końcach pojawia się napięcie. Powodem pojawienia się takiego napięcia jest indukcyjne pole elektromagnetyczne. Jeśli strumień magnetyczny przechodzący przez obwód zamknięty nie zmienia się, prąd indukcyjny nie pojawia się.

Posługując się pojęciem „SEM indukcji”, można mówić o prawie indukcji elektromagnetycznej, tj. SEM indukcji w zamkniętej pętli jest równa w wartości bezwzględnej szybkości zmiany strumienia magnetycznego przez powierzchnię ograniczoną przez pętla.

Zasada Lenza. Jak już wiemy, w przewodniku występuje prąd indukcyjny. W zależności od warunków jego pojawienia się ma inny kierunek. Przy tej okazji rosyjski fizyk Lenz sformułował następującą zasadę: prąd indukcyjny występujący w obwodzie zamkniętym ma zawsze taki kierunek, że wytwarzane przez niego pole magnetyczne nie pozwala na zmianę strumienia magnetycznego. Wszystko to powoduje pojawienie się prądu indukcyjnego.

Prąd indukcyjny, jak każdy inny, ma energię. Oznacza to, że w przypadku prądu indukcyjnego pojawia się energia elektryczna. Zgodnie z prawem zachowania i przemiany energii, wspomniana energia może powstać tylko dzięki ilości energii innego rodzaju energii. Tak więc reguła Lenza w pełni odpowiada prawu zachowania i transformacji energii.

Oprócz indukcji w cewce może pojawić się tzw. indukcja własna. Jego istota jest następująca. Jeśli w cewce pojawi się prąd lub zmieni się jego siła, pojawi się zmieniające się pole magnetyczne. A jeśli zmienia się strumień magnetyczny przechodzący przez cewkę, powstaje w niej siła elektromotoryczna, która nazywa się EMF samoindukcji.

Zgodnie z zasadą Lenza, EMF samoindukcji, gdy obwód jest zamknięty, zakłóca natężenie prądu i nie pozwala na jego wzrost. Gdy obwód EMF jest wyłączony, indukcja własna zmniejsza natężenie prądu. W przypadku, gdy natężenie prądu w cewce osiągnie określoną wartość, pole magnetyczne przestaje się zmieniać, a samoindukcyjne pole elektromagnetyczne staje się zerowe.