Рассмотрены самые важные понятия электротехники: электрический ток, контур электрического тока, электродвижущая сила, напряжение, электрическое сопротивление, закон Ома, электрическая энергия и мощность.
1. Электрический ток
Движущиеся носители электрического заряда образуют электрический ток подобно тому, как движущиеся частички воздуха или воды образуют воздушный или водяной поток. В зависимости от способности различных материалов проводить электрический ток они разделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники.
К проводникам относятся вещества, обладающие электронной проводимостью, — проводники 1-го рода (все металлы, уголь) и вещества, обладающие ионной проводимостью, — проводники 2-го рода (кислоты, основания, растворы солей). Металлы содержат большое количество свободных электронов (около 1023 в одном кубическом сантиметре), которые характеризуются большой подвижностью.
Диэлектрики содержат незначительное количество свободных электронов. Поэтому они используются в качестве электроизоляционных материалов.
В полупроводнике перемещение электрических зарядов происходит при движении не только электронов, но и так называемых "дырок". Дырки представляют собой незанятые электронами места в кристаллической решетке и по своим функциям уподобляются носителям положительных зарядов.
По способности проводить электрический ток полупроводники стоят между проводниками и диэлектриками, причем их проводимость в значительной степени зависит от имеющихся в них примесей.
Наличие тока можно обнаружить по тем эффектам, которые он вызывает. Три эффекта сопровождают электрический ток:
-
в среде, окружающей провода с током, наблюдается магнитное поле;
-
проводник, по которому течет ток, нагревается;
-
в проводниках с ионной проводимостью при электрическом токе наблюдается перенос вещества.
За направление электрического тока принимается направление движения ионов металла (т. е. положительных зарядов) при электролизе растворов солей. Направление перемещения электронов в металлических проводниках противоположно вышеуказанному направлению (они перемещаются от отрицательного полюса источника к положительному).
Единицей электрического тока является 1 ампер (1 А). Эта единица выбрана в качестве основной при записи закона электродинамического силового взаимодействия проводников, что устанавливает ее связь с основными механическими единицами.
Зависимость от времени электрического тока может быть различной. У постоянного тока направление и значение не изменяются. Направление и значение переменного тока изменяются, причем особенно важен для практики переменный ток синусоидальной формы. Если электрическому току свойственны черты и постоянного и переменного тока, то такой ток называется пульсирующим.
Сила, вызывающая движение электронов в проводнике (ток), распространяется со скоростью света. Однако сами электроны движутся в проводнике со скоростями всего порядка 1 мм/с.
Подробно про электрический ток:
Что такое электрический ток
В каком направлении течет ток
Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока
2. Контур электрического тока
В электрической цепи электрический ток циркулирует по замкнутому контуру. От источника ток течет по проводу через выключатель к приемнику, где он и производит желаемый эффект.
По второму проводу ток возвращается к источнику, проходит через него и снова начинает свой путь. На этом пути электрический ток черпает энергию для своего движения в источнике, а затем отдает ее приемнику обычно путем ее перехода в энергию другого вида — световую, тепловую, механическую и т.д.
В природе и технике встречается много подобных циклических процессов. Например, хорошую, но, конечно, формальную аналогию можно усмотреть в случае движения воды в системе охлаждения автомобиля. Вода получает тепловую энергию от стенок цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Даже без водяного насоса возникает движение воды по трубопроводам системы охлаждения и вода отдает большую часть полученной тепловой энергии в радиаторе, являющемся в данном случае приемником энергии.
Согласно современным представлениям электрический ток в проводниках образуется очень большим количеством мельчайших носителей заряда, называемых электронами. Электрический заряд следует рассматривать как одну из основных характеристик частиц и тел, которая проявляет себя в различного рода силовых взаимодействиях.
3. Электродвижущая сила, напряжение
Если на некотором участке цепи носители зарядов получают энергию, то принято говорить, что этот участок цепи — источник, развивающий электродвижущую силу (ЭДС). Источники электрической энергии называются источниками ЭДС.
На участке электрической цепи, где заряды отдают энергию, имеет место так называемое падение напряжения. Падение напряжения на участках цепи — приемниках называют короче просто напряжением.
Исходящий от источника ЭДС "импульс напряжения" распространяется со скоростью света, в то время как сами электроны движутся с очень малыми скоростями.
Электрический ток в простой электрической цепи одинаков на всех ее участках, и вследствие высокой скорости распространения импульса напряжения все электроны приходят в движение практически одновременно.
В случае разомкнутой цепи с источником ЭДС направленного движения потока электронов в ней быть не может. Однако в этой цепи свободные электроны находятся в состоянии постоянной готовности к движению, как только электрическая цепь будет замкнута. В таком случае принято говорить, что оба конца разомкнутой цепи находятся под напряжением.
Направления ЭДС Е и падения напряжения U совпадают с направлением тока, т. е. противоположны направлению движения электронов.
Единицей ЭДС и напряжения является 1 вольт (1В).
Для напряжения выбран ряд стандартизованных значений, чтобы установить единство в снабжении потребителей электрической энергией.
Для потребителей малой мощности применяются главным образом напряжения 12, 24, 36, 48, 110, 220 В. Для промышленных сетей низкого напряжения и бытовых сетей установлены напряжения 220 и 380 В. Для передачи электроэнергии на дальние расстояния применяются высокие напряжения 6000, 10000, 35000, 110000, 220000, 330000, 500000 и 750000 В.
Подробнее про электродвижущую силу и напряжение:
ЭДС, расзность потенциалов, напряжение - что это такое и в чем разница
Роль источника ЭДС в электрической цепи
Что такое напряжение, как повысить и понизить напряжение
Оптимальное напряжение в электросети для работы бытовых электроприборов
Трехфазная система электроснабжения
4. Электрическое сопротивление, закон Ома
Электрические величины (ток, напряжение и сопротивление) связаны между собой. Закон Ома определяет зависимость между током, протекающим по цепи, напряжением, приложенным к участку цепи, и сопротивлением этого участка цепи.
В общем виде этот закон формулируется так: электрический ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Закон Ома для всей цепи формулируется так: ток прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению всей цепи.
При своем движении по проводнику электроны сталкиваются с атомами и при этом теряют часть своей энергии, что приводит к нагреву проводника. Таким образом, наблюдается сопротивление движению электронов. Опыты показывают, что ток в участке электрической цепи тем больше, чем больше напряжение (падение напряжения) на этом участке.
При определенных условиях между электрическим током и напряжением существует линейная зависимость: I = GU.
Символом G в данном уравнении обозначена электрическая проводимость участка цепи, которая тем больше, чем меньшее сопротивление оказывает проводник прохождению электрического тока.
Однако на практике чаще применяется величина, обратная проводимости, которая называется электрическим сопротивлением: R = 1/G, откуда R = U/I. Это равенство служит для определения электрического сопротивления и известно под названием закона Ома для участка цепи.
Георг Симон Ом (1789—1854) обнаружил в 1826 году, что сопротивление многих материалов (проводников) не зависит от значения тока в проводнике и, следовательно, является константой.
Из закона Ома следует, что с ростом напряжения пропорционально увеличивается ток и что при увеличении сопротивления ток уменьшается. Единицей электрического сопротивления является 1 Ом.
На практике часто требуется определить электрический ток в некотором приемнике. Значение этого тока можно установить на основании известных значений электрического сопротивления приемника и поданного на него напряжения.
Если напряжение будет слишком велико, то ток может быть настолько большим, что вследствие теплового эффекта может разрушить приемник. Большие значения тока могут возникнуть в электрической цепи и при слишком малом сопротивлении или в случае прямого контакта (короткого замыкания) токоведущих частей цепи.
Для защиты устройств и приборов от перегрузок по току в электрические цепи включаются плавкие предохранители, которые перегорают, или автоматические выключатели, которые выключаются если ток в цепи превышает некоторое определенное значение.
Сопротивление проводника или провода тем больше, чем больше его длина l и чем меньше площадь его поперечного сечения S.
Значение электрического сопротивления зависит также и от материала, из которого изготовлен проводник. Каждый материал характеризуется электрической константой: удельным электрическим сопротивлением ρ. Следовательно, уравнение для расчета сопротивления проводника имеет следующий вид: R = (ρl)/S.
Сопротивление проводника зависит не только от его длины, площади поперечного сечения и материала, но и от температуры.
У ряда материалов значение электрического сопротивления при температуре вблизи абсолютного нуля скачкообразно падает до чрезвычайно малого значения. Это явление получило название сверхпроводимости. В настоящее время явление сверхпроводимости не получило еще широкого применения в технике, однако уже с успехом используется при решении некоторых специальных технических задач, как, например, при получении сверхмощных магнитных полей для физических исследований.
Подробнее об электрическом сопротивлении и законе Ома:
Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры
Как рассчитать температуру нити лампы накаливания
Про закон Ома в популярном изложении
Способы соединения приемников электрической энергии
5. Энергия и мощность
В каждой электрической цепи происходит обмен энергией. Следует при этом различать два процесса: получение электрической энергии (в источнике ЭДС) и ее преобразование в другие виды (на участках цепи, где есть падение напряжения).
Принимая во внимание закон Ома, можно написать выражение для энергии электрического тока, преобразуемой в приемнике с сопротивлением R (закон Джоуля—Ленца): W = I2Rt
При расчетах электроэнергетических установок чаще в качестве единиц энергии выбирают ватт-час или киловатт-час. Электрическую энергию можно преобразовывать в другие виды энергии.
Электрический ток нагревает проводники, т. е. электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию (тепловой эффект Джоуля). В электродвигателях электрическая энергия переходит в механическую (смотрите - Виды электродвигателей).
Мощность можно определить как изменение энергии в единицу времени: P = dW/dt
Мощность в цепи постоянного тока: P = UI. Единица мощности - Вт.
В электроэнергетике широко применяются единицы мощности киловатт (кВт) и мегаватт (МВт), причем 1 кВт = 103 Вт и 1 М Вт = 106 Вт, а в слаботочной и измерительной технике — милливатт (мВт), причем 1 мВт = 10-3 Вт. Мощность является важнейшей характеристикой электрических машин и приборов, так как для практики важна их способность производить работу в единицу времени.
Подробно про мощность и электроэнергию:
Приборы для измерения мощности - ваттметры
Как влияет мощность электроприборов на электропроводку
Как узнать какую мощность выдерживает кабель
Приборы учета электроэнергии — виды и типы, основные характеристики
Как узнать потребляемую мощность домашних электроприборов
Что такое коэффициент полезного действия (КПД)
Способы преобразования солнечной энергии и их КПД
Полезная статья по теме:
Напряжение, сопротивление, ток и мощность - основные электрические величины
Андрей Повный
