Электрический ток и закон ома

Напряженность поля точечного заряда

У электрического поля, создаваемого точечным зарядом, есть одна особенность — ввиду малой величины самого заряда оно очень слабо влияет на другие наэлектризованные тела. Именно поэтому такие «точки» используют для исследований.

Но прежде чем рассказать, от чего зависит напряженность электрического поля точечного заряда, рассмотрим подробнее, как взаимодействуют эти заряды.

Закон Кулона

Предположим, в вакууме есть два точечных заряженных тела, которые статично расположены на некотором расстоянии друг от друга. В зависимости от одноименности или разноименности они могут притягиваться либо отталкиваться. В любом случае на эти объекты воздействуют силы, направленные по соединяющей их прямой.

Силу электрического поля в конкретной точке можно найти по формуле: где q₁ и q₂ — модули точечных зарядов, r — расстояние между ними.

В формуле участвует коэффициент пропорциональности k, который был определен опытным путем и представляет собой постоянную величину. Он обозначает, с какой силой взаимодействуют два тела с зарядом 1 Кл, расположенные на расстоянии 1 м.

Важно!
Сила взаимодействия двух точечных зарядов остается прежней при появлении сколь угодно большого количества других зарядов в данном поле.

Учитывая все вышесказанное, напряжение электрического поля точечного заряда в некой точке, удаленной от заряда на расстояние r, можно вычислить по формуле:

Итак, мы выяснили, что называется напряженностью электрического поля и от чего зависит эта величина. Теперь посмотрим, как она изображается графическим способом.

Определение величины напряжения

Выполняя электромонтажные работы, специалист сталкивается с разными типами напряжения. Например, розетки в квартирах и частных домах являются источниками переменного напряжения. Оно может быть понижено или повышено трансформатором, выпрямлено специальным устройством. Измерение напряжения трения производят в лабораторных условиях электрохимическим методом. Мастеру нужно знать об особенностях измерения разных видов напряжения.

Постоянное напряжение

Его можно измерить, используя магнитоэлектрические устройства. Сейчас в продаже можно найти высокоточные приборы, оснащенные цифровым дисплеем. Проще всего непосредственно подключить устройство к участку, на котором нужно провести измерения. При этом необходимо соблюдать следующие правила:

1. Предельное значение должно превышать предполагаемый максимум. В случае, когда измерительные работы выполняются без знания этого параметра, полагается установить максимальный предел и постепенно снижать его.
2. Учитывать полярность подсоединения. В противном случае у стрелочного прибора указатель наклонится в противоположную сторону, у цифрового – на экране высветится отрицательное число.

Лабораторный вольтметр

Переменное напряжение

В этом случае в ход идут измерительные приборы разных видов, за исключением магнитоэлектрических. Работают с такими аппаратами только посредством подключения к выходу выпрямителя.

Скорость движения заряженных частиц в электрическом поле

В физике закон постоянного тока формулируется для I=const, а это означает, что каждая частица-носитель электрического заряда должна двигаться с постоянной скоростью. Однако чтобы существовал электрический ток, необходимо наличие заряженных частиц, способных двигаться, а также существование электрического поля. Последнее действует на электрический заряд q с определенной силой. Эта сила определяется по формуле: F = q*E, здесь E — напряженность электрического поля.

Согласно второму закону Ньютона, заряженная частица приобретает ускорение a = q*E/m, где m — масса частицы. Поскольку все величины в этом выражении являются постоянными, то и ускорение также будет неизменным и отличным от нуля. Все эти рассуждения справедливы для случая движения заряда в пустом пространстве, если же он движется в какой-либо среде, то со стороны среды возникает некоторое сопротивление.

Например, движущийся под действием электрической силы в металлическом проводнике электрон испытывает постоянные столкновения с ионами, образующими металлическую кристаллическую решетку. Эти столкновения приводят к тому, что электрон начинает двигаться с постоянной скоростью, которая называется скоростью дрейфа. Именно во взаимодействии электрона с ионами решетки заключается природа электрического сопротивления.

Движение электрона в металлическом проводнике можно сравнить с движением капли дождя в воздухе, поскольку эта капля не падает с ускорением свободного падения, а совершает равномерное движение из-за воздействия силы сопротивления со стороны воздуха.

Общее понятие о переменном токе

В отличие от постоянного движения электронов в одном направлении, переменный ток меняет как направление, так и значение несколько раз за единицу времени. Изменения происходят по гармоническому закону. Если наблюдать подобный сигнал с помощью осциллографа, можно увидеть картинку в виде синусоиды.

Относительно оси ординат OY ток меняет своё направление с положительного на отрицательное и делает это периодически. Поэтому его мгновенное значение в первой позиции считается положительным, во второй – отрицательным.

Важно! Так как переменный ток – это алгебраическая величина, то говорить о его знаке заряда можно только для конкретного мгновенного значения, смотря, в каком направлении он протекает в этот момент. Сигнал на экране осциллографа

Сигнал на экране осциллографа

Что такое электрический ток и напряжение

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников. Основными характеристиками тока являются:

• сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А), в формулах обозначается буквой I;
• мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт), обозначается буквой P;
• частота, измеряемая в герцах (Гц).

Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.

Напряжение – это работа, совершаемая электрическим полем для перемещения заряда в 1 кулон (Кл) из одной точки проводника в другую. Исходя из данного определения, все-таки сложно осознать, что же такое напряжение.

Чтобы заряженные частицы перемещались от одного полюса к другому, необходимо создать между этими полюсами разность потенциалов (именно она и именуется напряжением). Единицей измерения напряжения является вольт (В).

Для окончательного понимания определения электрического тока и напряжения, можно привести интересную аналогию: представьте, что электрический заряд — это вода, тогда давление воды в столбе – это и есть напряжение, а скорость потока воды в трубе – это сила электрического тока. Чем выше напряжение, тем больше сила электрического тока.

Что такое переменный ток

Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в стандартной электрической сети в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.

Что такое постоянный ток

Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние.

Историческая справка

Георг Симон Ом родился в городе Эрлангене (Германия) 16 марта 1789 года в протестантской семье. С раннего детства он начал работать в слесарной мастерской своего отца. Карьера физика началась у Ома в Политехническом университете Нюрнберга. До конца своих дней он преподавал физику в университете Мюнхена.

Главной заслугой Ома в физике является то, что он ввел и описал такую физическую величину, как электрическое сопротивление. Он впервые сформулировал в математическом виде взаимосвязь между разницей потенциалов, силой тока и электрическим сопротивлением в цепи, за что единица сопротивления была названа по его фамилии.

Новые идеи Ома не сразу приняло мировое научное сообщество, лишь в 1841 году Королевское Общество в Лондоне наградило Ома медалью Копли, а Мюнхенский университет в 1849 году выделил ему кафедру физики.

Ом на протяжении своей научной деятельности занимался не только электрическими цепями. В 1840 году он изучал звуковые волны, а с 1852 года занимался оптикой, в частности, феноменом интерференции. Умер ученый в Мюнхене 6 июля 1854 года.

Электрический ток и его характеристики

Определение 9

Проводники, которые подчинены закону Ома, получили название линейных.

Для изображения графической зависимости силы тока I от U (графики называют вольт-амперными характеристиками, ВАХ) используется прямая линия, проходящая через начало координат.

Существуют устройства, не подчиняющиеся закону Ома. К ним относят полупроводниковый диод или газоразрядную лампу. Металлические проводники имеют отклонения от закона Ома при токах большой силы. Это связано с ростом температуры.

Определение 10

Участок цепи, содержащий ЭДС, позволяет записывать закон Ома таким образом:

IR=U12=φ1-φ2+δ=∆φ12+δ.

Формула получила название обобщенного закона Ома или закон Ома для неоднородного участка цепи.

Рисунок 1.8.2 показывает замкнутую цепь с постоянным током, причем ток цепи (cd) считается однородным.

Рисунок 1.8.2. Цепь постоянного тока.

Исходя из закона Ома IR=∆φcd, участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной δ. Тогда для неоднородного участка формула примет вид Ir=∆φab+δ. Сумма обоих равенств дает в результате выражение I(R+r)=∆φcd+∆φab+δ. Но ∆φcd=∆φba=-∆φab, тогда I=δR+r.

Определение 11

Формула I=δR+r выражает закон Ома для полной цепи. Запишем ее, как определение: сила тока в полной цепи равняется электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Рисунок 1.8.2 говорит о том, что R неоднородного тела может быть рассмотрено как внутреннее сопротивление источника тока. Тогда (ab) участок будет являться внутренним участком источника.

Определение 12

При замыкании a и b с помощью проводника с малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника получим, что в цепи имеется ток короткого замыкания Iкз=δr.

Сила тока короткого замыкания является максимальной, получаемой от источника с ЭДС и внутренним сопротивлением r. Если внутренне сопротивление мало, тогда ток короткого замыкания может вызвать разрушение электрической цепи или источника.

Пример 1

Свинцовые аккумуляторы автомобилей имеют силу тока короткого замыкания в несколько сотен ампер. Особую опасность представляют замыкания в осветительных сетях, которые имеют подпитку от подстанций. Во избежание разрушительных действий предусмотрены предохранители или автоматы для защиты сетей.

Чтобы при превышении допустимых значений силы тока не произошло короткого замыкания, используют внешнее сопротивление. Если сопротивление r равняется сумме внутреннего и внешнего сопротивления источника, сила тока не будет превышать норму.

При наличии разомкнутой цепи разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равняется ее ЭДС. Когда внешнее R включено и ток I подается через батарею, то разность потенциалов на полюсах запишется, как ∆φba=δ-Ir.

Рисунок 1.8.3 дает точное схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС, равной δ, внутренним r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку, режим короткого замыкания. E→ является напряженностью внутри электрического поля внутри батареи, a – силами, действующими на положительные заряды, Fст→– сторонней силой. Исчезновение электрического поля возникает при коротком замыкании.

Рисунок 1.8.3. Схематическое изображение источника постоянного тока: 1 – батарея разомкнута;2 – батарея замкнута на внешнее сопротивление R; 3 – режим короткого замыкания.

Разветвленная электрическая цепь

Самой простой электрической цепью является цепь, состоящая из двух двухполюсных элементов, соединенных «кольцом» с помощью проводников – одного источника тока и одного потребителя. Такая цепь работает, например, в карманном фонарике. Источником тока в ней является батарейка, потребителем – лампочка. В простой елочной гирлянде источником тока является бытовая электросеть, а все лампочки-потребители соединены последовательно, «кольцом», и работают вместе.

Чтобы цепь работала правильно, все электрические характеристики элементов должны быть заранее рассчитаны. Напряжение, подаваемое из бытовой сети, должно быть таким, чтобы в полную силу (но без перекала) зажечь все лампочки гирлянды.

Однако, такие простые цепи – это, скорее, исключение, чем правило. Практически любая современная электрическая цепь состоит из тысяч и даже миллионов элементов. И, хотя, источник тока в такой цепи чаще всего только один, остальные звенья соединены в сложную сеть, которая скорее напоминает «кружево», а не «кольцо». Такая цепь называется разветвленной.

Ток, идущий по любому звену разветвленной цепи, может быть как постоянным, так и переменным, при этом в цепи возможны переходные процессы. Однако, основным режимом является установившийся, и для расчета установившегося режима электрических цепей любой сложности хватает трех формул законов постоянного тока (правила Кирхгофа иногда называют законами):

• правила Кирхгофа для узлов (первое);
• правила Кирхгофа для контуров (второе);
• Закона Ома для участка цепи.

Рассмотрим их.

Для постоянного тока

Закон Ома определяет зависимость между током (I), напряжением (U) и сопротивлением (R) в участке электрической цепи. Наиболее популярна формулировка:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи, т.е.

Закон Ома, является основополагающим в электротехнике и электронике. Без его понимания также не представляется работа подготовленного специалиста в области КИП и А. Когда-то была даже распространена такая поговорка, — «Не знаешь закон Ома, — сиди дома..».

Помимо закона Ома, важнейшим является понятие электрической мощности, P:

Мощность постоянного тока (P) равна произведению силы тока (I) на напряжение (U), т.е.

Комбинируя эти две формулы, выведем зависимость между силой тока, напряжением, сопротивлением и мощностью, и создадим таблицу:

Практический пример использования таблицы: Покупая в магазине утюг, мощностью 1 кВт (1 кВт = 1000 Вт), высчитываем на какой минимальный ток должна быть рассчитана розетка в которую предполагается включать данную покупку:
Несмотря на то, что утюг включается в сеть переменного тока, пренебрегаем его реактивным сопротивлением (см. ниже), и используем упрощенную формулу для постоянного тока. Находим в таблице I = P / U. Получаем: 1000 кВт / 220 В (напряжение сети) = 4,5 Ампера. Это и есть минимальный ток, который должна выдерживать розетка, при подключении к ней нагрузки мощностью 1 кВт.

Наиболее распространенные множительные приставки:

• Сила тока, Амперы (A): 1 килоампер (1 kА) = 1000 А. 1 миллиампер (1 mA) = 0,001 A. 1 микроампер (1 µA) = 0,000001 A.
• Напряжение, Вольты (V): 1 киловольт (1kV) = 1000 V. 1 милливольт (1 mV) = 0,001 V. 1 микровольт (1 µV) = 0,000001 V.
• Сопротивление, Омы (Om): 1 мегаом (1 MOm) = 1000000 Om. 1 килоом (1 kOm) = 1000 Om.
• Мощность, Ватты (W): 1 мегаватт (1 MW) = 1000000 W. 1 киловатт (1 kW) = 1000 W. 1 милливатт (1 mW) = 0,001 W.

Информация о напряжении

Напряжение — работа электрического тока, при которой происходит перемещение заряда из одной точки в другую. Оно имеет векторное направление. Электрическим током является движение заряженных элементарных частиц под воздействие электромагнитного поля.

Некоторые начинающие физики не знают, в чем измеряется напряжение

Знать это очень важно, поскольку элементы электрической цепи можно рассчитать неверно. Единицей измерения тока является ампер (А), а напряжения — вольт (В). В последнем случае применяется вольтметр — прибор, измеряющий величину напряжения или разности потенциалов

Он подключается параллельно в систему. Например, нужно измерить его значение на лампочке накаливания. Для этого необходимо подключиться параллельно к ней, а не последовательно

В последнем случае применяется вольтметр — прибор, измеряющий величину напряжения или разности потенциалов. Он подключается параллельно в систему. Например, нужно измерить его значение на лампочке накаливания. Для этого необходимо подключиться параллельно к ней, а не последовательно.

Физический смысл

Под физическим смыслом напряжения или разности потенциалов понимают работу, необходимую для перемещения точечного заряда в 1 Кл из одного места в другое. В этом случае переносится только положительный потенциал. При этом возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая называется напряжением или разностью потенциалов.

Для понимания физического смысла следует рассмотреть более простой пример. Пусть существует некоторая система, состоящая из насоса, труб и крана. Насос — напряженность электрического поля, трубы — провода, а кран — сопротивление системы. При включении первого происходит закачивание воды. Если немного приоткрыть кран, то она польется маленькой струйкой. При открытии его полностью жидкость будет уходить более интенсивно.

Формулы для вычислений

Все формулы для расчетов построены на законах Ома. Их всего два: для участка и для всей цепи. Формулировка первого: ток, протекающий на искомом участке, прямо пропорционален U и обратно пропорционален R. Его математическая запись имеет такой вид: I=U/R. Из последнего получаются такие соотношения:

1. U=IR.
2. R=U/I.
3. P=IU=(I2 )R=(U2 )/R, где Р — мощность.

Для полной цепи закон формулируется иначе: ток I прямо пропорционален ЭДС (E) и обратно пропорционален алгебраической сумме внешнего R и внутреннего r сопротивлений. Следует отметить, что r — проводимость источника питания. Записывается он в таком виде: I=E/(R+r). Физики вывели следующие соотношения, помогающие при расчетах:

1. Е=I (R+r).
2. R=(E/I)-r.
3. r=(E/I)-R.
4. Р=ЕI=(E2 )/(R+r)=(R+r)I2.

Тождества для переменного тока

Напряжение при переменном токе классифицируется на определенные виды. К ним относятся следующие:

1. Мгновенное или действующее — параметр, который измеряют приборы (Um).
2. Амплитудное — величина, характеризующее максимальную величину в определенный момент времени. Расчитывается по формуле с учетом угловой частоты (w), времени (t) и угла между фазами (f), который измеряется осциллографом: u (t)=Uмsin (wt+f).
3. Среднеквадратичное (Uq) — величина, вычисляемая по формуле: Uq=0,7073Uм).

Для расчета следует иметь знания об индуктивной Xl, емкостной Xc и резистивной R нагрузках. Первая — проводимость всех элементов, содержащих индуктивность (катушки, трансформаторы, электродвигатели). Во втором случае учитываются все емкостные радиодетали (варисторы и конденсаторы). Резистивная нагрузка включает все значения резисторов.

Полный импеданс цепи (Z) равен сумме всех элементов, содержащий активную, индуктивную и емкостную. Специалисты рекомендуют использовать такие формулы, необходимые для расчетов:

1. Xl=wL.
2. Хс=1/wC.
3. Z=R+Xc+Xl.
4. I=Uм/Z.
5. Uм=IZ.
6. Z=Uм/I.

Четвертая формула является законом Ома для участка цепи, которую следует применять при переменных токах.

Таким образом, при помощи формулы напряжения можно рассчитывать не только основные параметры электричества для постоянного и переменного токов, но и его допустимые величины для человека.

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрические устройства в мире используют постоянный и переменный ток. Поэтому возникает потребность в том, чтобы преобразовывать один ток в другой или наоборот.

Из переменного тока можно получить постоянный ток с помощью диодного моста или, как его еще называют, «выпрямителя». Основной частью выпрямителя является полупроводниковый диод, который проводит электрический ток только в одном направлении. После этого диода ток не изменяет своего направления, но появляются пульсации, которые устраняют при помощи конденсаторов и других фильтров.  Выпрямители бывают в механическом, электровакуумном или полупроводниковом исполнении.

В зависимости от качества изготовления такого устройства, пульсации тока на выходе будут иметь разное значение, как правило, чем дороже и качественнее сделан прибор – тем меньше пульсаций и чище ток. Примером таких устройств являются блоки питания различных приборов и зарядные устройства, выпрямители электросиловых установок в различных видах транспорта, сварочные аппараты постоянного тока и другие.

Для того, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный используются инверторы. Такие приборы генерируют переменное напряжение с синусоидой. Существует несколько видов таких аппаратов: инверторы с электродвигателями, релейные и электронные. Все они отличаются друг от друга по качеству выдаваемого переменного тока, стоимости и размерам.  В качестве примера такого устройства можно привести блоки бесперебойного питания, инверторы в автомобилях или, например, в солнечных электростанциях.

9.Сопротивление и проводимость.

Сопротивление зависит от геометрии и от вещества, из которого сделан проводник.

Для цилиндрического проводника одинакового поперечного сечения оно вычисляется особенно просто.

Измерив сопротивление, можно вычислить ёмкость и наоборот.

Данное устройство иногда называется конденсатором с утечкой.

По физическому смыслу, удельное сопротивление – это сопротивление куба вещества с ребром 1 м, если подводящие провода подключены к центрам противоположных граней.

Приведем таблицу удельных сопротивлений

10.Зависимость сопротивления от температуры.

Зависимость сопротивления достаточно сложная, поэтому будем говорить о зависимости удельного сопротивления от температуры.

Для характеристики этой зависимости вводят понятие температурного коэффициента.

В небольшом диапазоне температур можно считать, что α=const.

гдеρ – удельное сопротивление при температуре Т.

Если считать геометрию проводника неизменной, то

Приведем таблицу температурных коэффициентов

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) может быть положительным или отрицательным.

Кроме того, может наблюдаться явление сверхпроводимости, т.е. падение до нуля сопротивления при сверхнизких
температурах. Явление объясняется с квантовых позиций.

Меры предосторожности при измерении напряжений электротоков

Измерение напряжения электрического тока – это очень необходимая, но при этом опасная операция, требующая соблюдения следующих мер предосторожности:

• Все работы должны производиться с использованием исправных вольтметров и мультиметров – приборы должны показывать точное в пределах допустимой для них погрешности значение измеряемых характеристик. Не допускается применение неисправных и не прошедших своевременную поверку измерительных приборов.
• Независимо от того, будет измеряться данная характеристика для постоянного или переменного тока, вольтметр (мультиметр) подключается к участку цепи параллельно;
• При измерении вольт-амперных характеристик высокочастотных электросетей необходим специальный наряд-допуск. Нужен он потому, что работа с таким высоким напряжения требует наличия специальных навыков и опыта. При отсутствии такого документа самовольное выполнение работ на электроустановках может привести к административной ответственности;
• Для измерительных работ необходимо также использование средств защиты: специальных перчаток, диэлектрических бот, электро,- и ручных инструментов с прорезиненными ручками, резиновых ковриков.

Важно! Специалисты советуют владельцам частных домов и коттеджей при отсутствии опыта в проведении подобных измерений обращаться к лицензированным в данной области организациям или к местной энергоснабжающей организации. Мультиметр и вольтметр

Мультиметр и вольтметр

Также при проведении измерения на сетях с разностью потенциалов более 1000 В (1кВ) необходим физический барьер (специальная ограждающая лента), с помощью которого создается зона радиусом 5 метров вокруг токоведущего провода, жилы, электроустановки.

Таким образом, поняв, что такое напряжение как в физике, так и в быту, можно не только вникнуть в суть этой, простой на первый взгляд, характеристики электрического тока, но и, осознав ее опасность, более аккуратно и внимательно относится к выполнению электромонтажных работ.

Более наглядно понять, что называется электрическим напряжением, и в чем его суть можно по следующему видео.

Похожие записи:

Имитация кирпича для внутренней отделки своими руками Стык между плиткой и ламинатом: правила комбинирования, пошаговая инструкция стыковки без порожка Аппарат для сварки полипропиленовых труб: рейтинг лучших 2021 года Как сделать бабочку из бумаги Плитка фасадная, какие варианты сейчас рекомендуются и почему Выберем водородный генератор для отопления частного дома