+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Что такое электрический ток и каковы условия его существования

Простое объяснение условий существования электрического тока. Как протекает ток в металлах, полупроводниках, газах и жидкостях.


Без электричества невозможно представить жизнь современного человека. Вольты, Амперы, Ватты – эти слова звучат в разговоре об устройствах, которые работают от электричества. Но что это такое электрический ток и каковы условия его существования? Об этом мы расскажем далее, предоставив краткое объяснение для начинающих электриков. Содержание:

Определение

Электрическим током является направленное движение носителей зарядов – это стандартная формулировка из учебника физики. В свою очередь носителями заряда называются определенные частицы вещества. Ими могут быть:

  • Электроны – отрицательные носители заряда.
  • Ионы – положительные носители заряда.

Но откуда берутся носители заряда? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить базовые знания о строении вещества. Всё что нас окружает – вещество, оно состоит из молекул, мельчайших его частиц. Молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны на заданных орбитах. Молекулы также хаотично движутся. Движение и структура каждой из этих частиц зависят от самого вещества и влияния на него окружающей среды, например температуры, напряжения и прочего.

Что такое электрический ток и каковы условия его существования

Ионом называют атом, у которого изменилось соотношение электронов и протонов. Если изначально атом нейтрален, то ионы в свою очередь делят на:

  • Анионы – положительный ион атома, потерявшего электроны.
  • Катионы – это атом с «лишними» электронами, присоединившиеся к атому.

Единица измерения тока – Ампер, согласно закону Ома он вычисляется по формуле:

I=U/R,

где U – напряжение, [В], а R – сопротивление, [Ом].

Или прямопропорционален количеству заряда, перенесенному за единицу времени:

I=Q/t,

где Q – заряд, [Кл], t – время, [с].

Условия существования электрического тока

Что такое электрический ток мы разобрались, теперь давайте поговорим о том, как обеспечить его протекание. Для протекания электрического тока необходимо выполнение двух условий:

  1. Наличие свободных носителей заряда.
  2. Электрическое поле.

Первое условие существования и протекания электричества зависит от вещества, в котором протекает (или не протекает) ток, а также его состояния. Второе условие также выполнимо: для существования электрического поля обязательно наличие разных потенциалов, между которыми находится среда, в которой будут протекать носители заряда.

Что такое электрический ток и каковы условия его существования

Напомним: Напряжение, ЭДС – это разность потенциалов. Отсюда следует, что для выполнения условий существования тока – наличия электрического поля и электрического тока, нужно напряжение. Это могут быть обкладки заряженного конденсатора, гальванический элемент, ЭДС возникшее под действием магнитного поля (генератор).

Как он возникает, мы разобрались, давайте поговорим о том, куда он направлен. Ток, в основном, в привычном для нас использовании, движется в проводниках (электропроводка в квартире, лампочки накаливания) или в полупроводниках (светодиоды, процессор вашего смартфона и другая электроника), реже в газах (люминесцентные лампы).

Так вот основными носителями заряда в большинстве случаев являются электроны, они движутся от минуса (точки с отрицательным потенциалом) к плюсу (точке с положительным потенциалом, подробнее об этом вы узнаете ниже).

Что такое электрический ток и каковы условия его существования

Но интересен тот факт, что за направление движения тока было принято движение положительных зарядов – от плюса к минусу. Хотя фактически всё происходит наоборот. Дело в том, что решение о направлении тока было принято до изучения его природы, а также до того, как было определено за счет чего протекает и существует ток.

Электрический ток в разных средах

Мы уже упоминали о том, что в различных средах электрический ток может различаться по типу носителей заряда. Среды можно разделить по характеру проводимости (по убыванию проводимости):

  1. Проводник (металлы).
  2. Полупроводник (кремний, германий, арсенид галия и пр).
  3. Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).

Подведем итоги, для протекания электрического тока нужны свободные носители зарядов:

  • электроны в проводниках (металлы) и вакууме;
  • электроны и дырки в полупроводниках;
  • ионы (анионы и катионы) в жидкости и газах.

Для того, чтобы движение этих носителей стало упорядоченны, нужно электрическое поле. Простыми словами — приложить напряжение на концах тела или установить два электрода в среде, где предполагается протекание электрического тока.

Также стоит отметить, что ток определенным образом воздействует на вещество, различают три типа воздействия:

  • тепловое;
  • химическое;
  • физическое.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезно видео, в котором более подробно рассматриваются условия существования и протекания электрического тока:

Полезное по теме:

  • Зависимость сопротивления проводника от температуры
  • Закон Джоуля-Ленца простыми словами
  • Какой электрический ток опаснее для человека: постоянный или переменный


НравитсяЧто такое электрический ток и каковы условия его существования0)Не нравитсяЧто такое электрический ток и каковы условия его существования0)

Сила тока в проводнике и средах для новичков

Ремонт бытовой техники и электропроводки своими руками требует от домашнего мастера понимания физических процессов электричества. Но среди практиков встречается категория “забывчивых” людей.

Специально для напоминания им, а не только ученикам школ, я подготовил материал о том, как создается сила тока в проводнике и других различных средах.

Постарался изложить его немного упрощенным и понятным языком без сложных формул и выводов, но подробно. Читайте, знакомьтесь, вспоминайте.

Содержание статьи

При каких условиях возникает электрический ток и что такое сила тока простыми словами

Сразу обращаю внимание: определение электрического тока не относится к статическим, замершим явлениям. Оно напрямую связано с движением,динамическим состоянием.

Его создают не нейтральные, а активные частицы положительного или отрицательного электрического заряда.

И перемещаться они должны не хаотически, как жители мегаполиса во время часа пик, а направленно. Пример: движение массы автомобилей по многорядной дороге в одном направлении большого города.

Представили картину? Внутрь сплошного потока добавляются машины со стороны, какие-то водители съезжают с трассы на другие дороги. Но на общее движение эти процессы не особо влияют: направление сохраняется односторонним.

Так же происходит перемещение электрических зарядов. Внутри металлических проводников ток создают электроны. В обычном состоянии они там движутся довольно хаотически во все стороны.

Но стоит приложить к ним внешнюю силу электрического напряжения с положительными и отрицательными потенциалами на противоположных концах проводника, как начинается направленное движение зарядов.

Оно и является электрическим током. Обращаю внимание на последнее слово. Оно характеризует течение, перемещение, движение, динамику и связанные сними процессы, но не статику.

Именно величина приложенной внешней силы определяет качество направленного потока электронов в одну сторону. Чем выше ее значение, тем большая сила тока начинает протекать через проводник.

Однако здесь требуется учитывать несколько особенностей,связанных с:

  • общепринятыми научными условностями;
  • интенсивностью движения зарядов;
  • Противодействием внутренней среды проводника.

В первом случае нам приходится преодолевать сложившиеся исторические стереотипы, когда люди смешивают общее направление электронов и электрического тока.

Все научные расчеты построены на том, что за направление тока взято движение заряженных частиц от плюса источника напряжения к его минусу.

Внутри металлов электрический ток
создается за счет перемещения электронов в обратную сторону: они отталкиваются от одноименного минусового полюса и движутся к положительному.

Недопонимание этого положения может привести к ошибкам. Но их просто избежать: достаточно только запомнить эту особенность и использовать при расчетах или анализе действий электрических схем.

Интенсивность движения заряженных частиц характеризуют количеством их заряда, протекающего через заданную площадь за определённый промежуток времени.

Ее называют силой тока, обозначают латинской буквой I, вычисляют отношением ∆Q/∆t.

Здесь ∆Q — это количество зарядов, проходящих сквозь проводник с площадью S и длиной ∆L, а ∆t — калиброванный промежуток времени.

Для увеличения силы тока нам необходимо повысить число зарядов, проходящих через проводник за единицу времени, а для снижения — уменьшить.

Опять же присмотритесь к термину “сила тока”, вернее к его первому слову. Я специально на самой верхней картинке показал для сравнения мощный бицепс и тлеющую лампочку.

Силовой запас источника энергии может колебаться от излишнего до недостаточного для потребителя. А нам всегда требуется питать нагрузку оптимально. Для этого и введено понятие силы тока.

Чтобы ее оценивать используется единица системы измерения: ампер, обозначаемая латинской буквой A.

Теоретически, чтобы оценить 1 ампер необходимо:

  • взять два очень тонких, бесконечно длинных и совершенно ровных проводника;
  • разместить их на плоскости строго параллельно друг другу на расстоянии 1 метр;
  • пропускать по ним одинаковый ток, постепенно повышая его величину;
  • замерять силу притяжения проводов и зафиксировать момент, когда она достигнет значения 2×10-7 Ньютона.

Вот тогда и станет протекать в проводах 1 ампер.

На практике никто так не поступает. Для измерения созданы специальные приборы: амперметры. Их конструкции работают в размерах дольности и кратности: мили-, микро- и кило-.

Еще одно определение ампера связано с единицей количества электричества: кулоном (Кл), который проходит сквозь поперечное сечение провода за 1 секунду.

1A = 1Кл / 1c

Сила тока в любом месте замкнутой электрической цепи, где он протекает, всегда одинакова, а при ее разрыве, где бы ни было, исчезает.

Это явление позволяет выполнять замеры в самых удобных местах любой электрической схемы.

Когда создается сложная разветвленная цепь для протекания нескольких токов, то последние тоже на всех отдельных участках остаются постоянными.

Третий случай противодействия среды тоже важен. Электроны в процессе движения сталкиваются с препятствиями в виде положительно и отрицательно заряженных частиц.

Такие столкновения связаны с затратами энергии, расходуемой на выделение тепла. Их обобщили термином электрического сопротивления и описали физическими законами в математической форме.

Внутренняя структура каждого металла оказывает различное противодействие протеканию тока. Наука давно изучила эти свойства и свела в таблицы, графики и формулы удельного электрического сопротивления.

При проведении расчетов нам остается только воспользоваться уже проверенными и подготовленными сведениями. Их можно выполнять на основе формул, представленных известной шпаргалкой электрика.

Но намного проще использовать онлайн калькулятор Закона Ома. Он позволит избежать совершения типичных математических ошибок.

Для любителей смотреть видео я рекомендую ролик Павла Виктор по основам теории электропроводности металлов.

Самые важные выводы из формул силы тока для домашнего мастера

Практическую пользу представляет только полное понимание процессов протекания тока по проводникам. В быту мы должны:

  1. Заранее предусмотреть токовые нагрузки на проводку. Эти сведения помогут грамотно спроектировать ее для прокладки внутри своей квартире. А если она уже проложена, то потребуется учитывать и не превышать подключаемые мощности.
  • Исключить типовые ошибки монтажа проводов и оборудования, на которых происходит бесполезная потеря энергии электричества,создается излишний нагрев, возникают повреждения.
  • Правильно эксплуатировать проводку.
  • Предусмотреть систему защит, которые автоматически предохранят бытовую сеть от возникновения случайных повреждений как внутри схемы, так и приходящих со стороны питания.

Сейчас я не стану более подробно расшифровывать каждый из этих четырех пунктов. У меня в планах расписать их для вас более подробно сериями статей, опубликовать в рубриках сайта. Следите за информацией или подписывайтесь на рассылку, дабы быть в курсе.

Какие бывают виды электрического тока в быту

Форма сигнала токов зависит от работы источника напряжения и сопротивления среды, через которую проходит сигнал. Чаще всего на практике домашнему мастеру приходится сталкиваться со следующим видами:

  • постоянный сигнал, вырабатываемый от аккумуляторов или гальванических элементов;
  • синусоидальный, создаваемый промышленными генераторами частоты 50 герц;
  • пульсирующий, образуемый за счет преобразований различных блоков питания;
  • импульсный, проникающий в бытовую сеть за счет разряда молний в воздушные линии электропередач;
  • произвольный.

Чаще всего встречается синусоидальный или переменный ток: им питаются все наши приборы.

Электрический ток в различных средах: что надо знать электрику

Заряженные частицы под действием приложенного напряжения перемещаются не только внутри металлов, как мы разобрали выше на примере электронов, но и в:

  • переходном слое полупроводниковых элементов;
  • жидкостях различных составов;
  • среде газа;
  • и даже внутри вакуума.

Все эти среды оценивают способностью пропускать ток термином, называемым проводимостью. Это величина, обратная сопротивлению. Она обозначается буквой G, оценивается через удельную проводимость, которую можно найти в таблицах.

Проводимость вычисляется по формулам:

G = 1 / R = I / U

Сила тока в проводнике из металла: как используется в бытовых условиях

Способность внутренней структуры металлов по-разному влиять на условия движения направленных зарядов применяется для реализации специфических задач.

Транспортировка электрической мощности

Чтобы передать электрическую энергию на большое расстояние используют металлические проводники повышенного сечения с высокой проводимостью: медь или алюминий. Более дорогие металлы серебро и золото работают внутри сложных электронных схемах.

Всевозможные конструкции проводов, шнуров и кабелей на их основе надежно эксплуатируются в домашней проводке.

Нагревательные элементы

Для обогревательных приборов применяют вольфрам и нихром,обладающие большим сопротивлением. Оно позволяет разогревать проводник до высоких температур при правильном подборе приложенной мощности.

Этот принцип воплотился в многочисленных конструкциях электрических нагревателей — ТЭН-ах.

Защитные устройства

Завышенная сила тока в проводнике из металла с хорошей проводимостью, но тонким сечением позволяет создавать предохранители,используемые как токовые защиты.

Они нормально работают в оптимальном режиме нагрузки, но быстро перегорают при бросках напряжения, коротких замыканиях или перегрузках.

Еще несколько десятков лет предохранители массово служили основной защитой домашней проводки. Сейчас их заменили автоматическими выключателями. Но внутри всех блоков питания они продолжают надежно работать.

Ток в полупроводниках и его характеристики

Электрические свойства полупроводников сильно зависят от внешних условий: температуры, облучения светом.

Для увеличения их собственной проводимости в состав структуры добавлены специальные примеси.

Поэтому внутри полупроводника ток создается за счет собственной и примесной проводимости внутреннего p-n перехода.

Носителями зарядов полупроводника выступают электроны идырки. Если плюсовой потенциал источника напряжения приложен к полюсу p, а минусовой — к n, то через p-n переход станет течь ток за счет созданного ими движения.

При обратном приложении полярности p-n переход остается закрытым. Поэтому на картинке выше в первом случае показана светящаяся лампочка, а во втором — потухшая.

Аналогичные p-n переходы работают в других полупроводниковых конструкциях: транзисторах, стабилитронах, тиристорах…

Все они рассчитаны на номинальное прохождение силы тока. Для этого прямо на их корпус наносится маркировка. По ней заходят в таблицы технических справочников и оценивают полупроводник по электрическим характеристикам.

Ток в жидкостях: 3 метода применения

Если металлы обладают хорошей проводимостью, то среда жидкостей может выступать как диэлектрик, проводник и даже полупроводник. Но, последний случай не для домашнего применения.

Изоляционные свойства

Высокими диэлектрическими свойствами обладает минеральное масло высокой степени очистки и заниженной вязкости, созданное для работы внутри промышленных трансформаторах.

Дистиллированная вода тоже имеет высокие изоляционные свойства.

Аккумуляторы и гальванопластика

Если в дистиллированную воду добавить немного соли, кислоты или щелочи, то она, за счет возникновения электролитической диссоциации, станет токопроводящей средой — электролитом.

Однако здесь надо понимать: ток, протекающий в металлах, не нарушает структуру их вещества. В жидкостях же происходят разрушительные химические процессы.

Поэтому принято считать металлы проводниками первого рода, а жидкости — второго.

Ток в жидкостях так же создается под действием приложенного напряжения. Например, когда к двум электродам, опущенным в водный раствор какой-то соли, подведены положительные и отрицательные потенциалы от батарейки или аккумулятора.

Молекулы раствора образуют положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы. По знаку заряда их называют анионы (+) и катионы (-).

Под действием приложенного электрического поля анионы и катионы начинают движение к электродам противоположных знаков: катоду и аноду.

Такое встречное движение заряженных частиц образует электрический ток в жидкостях. При этом ионы, дойдя до своего электрода,разряжаются на нем и образуют осадок.

Наглядным примером могут быть гальванические процессы,проходящие в растворе медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.

Ионы меди Cu заряжены положительно — это анионы. На катоде они теряют свой заряд и оседают тонким металлическим слоем.

Катионами выступает кислотный остаток SO4. Они приходят на анод, разряжаются, вступают в химическую реакцию с медью электрода, образуют молекулы медного купороса, поступают обратно в раствор.

По этому принципу за счет ионной проводимости работают все электролиты в гальванопластике, когда идет изменение структуры электродов, а состав жидкости не меняется.

С помощью этого метода создают тонкие покрытия из благородных металлов на ювелирных украшениях или защитный слой различных деталей от коррозии. Силу тока подбирают под скорость протекания химической реакции в зависимости от конкретных условий среды.

По этой же схеме работают все аккумуляторные батареи. Только они еще обладают возможностью накапливать заряд от приложенной энергии генератора и отдают электричество при разряде на потребитель.

Работу никель кадмиевого аккумулятора в режиме заряда от внешнего генератора и разряда на приложенную нагрузку демонстрирует простая схема.

Ток в газах: диэлектрические свойства среды и условия протекания разрядов

Обычная газовая среда обладает хорошими диэлектрическими свойствами: она состоит из нейтральных молекул и атомов.

Примером может служить воздушная атмосфера. Ее используют как изолирующий материал даже на высоковольтных линиях электропередач, передающих очень большие мощности.

Оголенные металлические провода закреплены на опоре через изоляторы и отделены от контура земли их высоким электрическим сопротивлением,а между собой — обычным воздухом. Так работают ВЛ всех напряжений, включая 1150кВ.

Однако диэлектрические свойства газов могут быть нарушены за счет воздействия внешней энергии: нагрева до большой температуры или приложения повышенной разности потенциалов. Только тогда происходит ионизация их молекул.

Она отличается от тех процессов, которые происходят внутри жидкостей. У электролитов молекулы расщепляются на две части: анионы и катионы.Молекула же газа во время ионизации выделяет электрон и остается в виде иона положительного заряда.

Как только внешние силы, создающие ионизацию газов,прекращают действовать, сразу исчезает проводимость газовой среды. Разряд молнии в воздухе является кратковременным явлением, подтверждающим это положение.

Ток в газах, кроме разряда молнии, может создаваться за счет поддержания электрической дуги. По этому принципу работают прожектора и проекционные аппараты яркого света, а также промышленные дуговые печи.

Неоновые и люминесцентные лампы используют свечение тлеющего разряда, протекающего в среде газа.

Еще один вид разряда в газах, применяемый в технике —искровой. Он создается газовыми разрядниками для замера величин больших потенциалов.

Ток в вакууме: как используется в радиоэлектронных приборах

Латинское слово вакуум трактуется на русском языке как пустота. Она создается практическим путем за счет откачки газов из закрытого пространства вакуумными насосами.

Носителей электрических зарядов в вакууме нет. Их необходимо внести в эту среду для того, чтобы создать ток. Здесь используется явление термоэлектронной эмиссии, которая возникает при нагреве металла.

Таким способом работают радиоэлектронные лампы, у которых катод подогревается нитью накала. Освобождающиеся из него электроны, под действием приложенного напряжения, движутся к аноду, образуют ток в вакууме.

По этому же принципу создана электронно лучевая трубка кинескопного телевизора, монитора, осциллографа.

Просто в ней добавлены управляющие электроды для отклонения луча и экран, указывающий на его положение.

Во всех перечисленных устройствах сила тока в проводнике среды должна рассчитываться, контролироваться и поддерживаться на определённом уровне оптимального режима.

На этом заканчиваю. Специально для вас сделан раздел комментариев. Он позволяет просто высказывать собственное мнение о прочитанной статье.

Что такое электрический ток? Условия существования электрического тока: характеристики и действия

Электрический ток — это электрический заряд в движении. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как, например, молния. Или это может быть контролируемый процесс в генераторах, батареях, солнечных или топливных элементах. Сегодня мы рассмотрим само понятие «электрический ток» и условия существования электрического тока.

электрический ток условия существования электрического тока

Электрическая энергия

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, поступает в виде переменного тока из электрической сети. Он создается генераторами, работающими по закону индукции Фарадея, благодаря которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике.

Генераторы имеют вращающиеся катушки провода, которые проходят через магнитные поля по мере их вращения. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и создают электрический ток, меняющий направление на каждом повороте. Ток проходит через полный цикл вперед и назад 60 раз в секунду.

Генераторы могут питаться от паровых турбин, нагретых углем, природным газом, нефтью или ядерным реактором. Из генератора ток проходит через ряд трансформаторов, где растет его напряжение. Диаметр проводов определяет величину и силу тока, которую они могут переносить без перегрева и потери энергии, а напряжение ограничено только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.

Интересно отметить, что ток переносится только одним проводом, а не двумя. Две его стороны обозначаются как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока изменяется 60 раз в секунду, они имеют и другие названия — горячие (магистральные линии электропередач) и заземленные (проходящие под землей для замыкания цепи).

условия необходимые для существования электрического тока

Зачем нужен электрический ток?

Существует масса возможностей применения электротока: он может осветить ваш дом, вымыть и высушить одежду, поднять дверь вашего гаража, заставить вскипеть воду в чайнике и дать возможность работать другим бытовым предметам, которые значительно облегчают нам жизнь. Тем не менее все более важным становится способность тока передавать информацию.

При подключении к Интернету компьютером используется лишь небольшая часть электрического тока, но это то, без чего современный человек не представляет своей жизни.

каковы условия существования электрического тока

Понятие об электрическом токе

Подобно речному течению, потоку молекул воды, электрический ток — это поток заряженных частиц. Что это такое, что его вызывает, и почему он не всегда идет в одном направлении? Когда вы слышите слово «течет», о чем вы думаете? Возможно, это будет река. Это хорошая ассоциация, потому что именно по этой причине электрический ток получил свое название. Он очень похож на поток воды, только вместо молекул воды, движущихся по руслу, заряженные частицы движутся по проводнику.

Среди условий, необходимых для существования электрического тока, есть пункт, предусматривающий наличие электронов. Атомы в проводящем материале имеют много этих свободных заряженных частиц, которые плавают вокруг и между атомами. Их движение является случайным, поэтому поток в каком-либо заданном направлении отсутствует. Что же нужно, чтобы существовал электрический ток?

Условия существования электрического тока включают в себя наличие напряжения. Когда оно применяется к проводнику, все свободные электроны будут двигаться в одном направлении, создавая ток.

условия существования электрического тока в проводнике

Любопытно об электрическом токе

Интересно то, что когда электрическая энергия передается через проводник со скоростью света, сами электроны движутся намного медленнее. На самом деле, если бы вы не спеша прошли рядом с токопроводящей проволокой, ваша скорость была бы в 100 раз быстрее, чем двигаются электроны. Это обусловлено тем, что им не нужно преодолевать огромные расстояния, чтобы передавать энергию друг другу.

какие условия необходимы для существования электрического тока

Прямой и переменный ток

Сегодня широко используются два разных типа тока — постоянный и переменный. В первом электроны движутся в одном направлении, с «отрицательной» стороны на «положительную». Переменный ток толкает электроны назад и вперед, изменяя направление потока несколько раз в секунду.

Генераторы, используемые на электростанциях для производства электроэнергии, предназначены для производства переменного тока. Вы, наверное, никогда не обращали внимание на то, что свет в вашем доме на самом деле мерцает, поскольку текущее направление меняется, но это происходит слишком быстро, чтобы глаза смогли это распознать.

Каковы условия существования постоянного электрического тока? Зачем нам нужны оба типа и какой из них лучше? Это хорошие вопросы. Тот факт, что мы все еще используем оба типа тока, говорит о том, что они оба служат определенным целям. Еще в XIX веке было понятно, что эффективная передача мощности на большие расстояния между электростанцией и домом была возможна лишь при очень высоком напряжении. Но проблема заключалась в том, что отправка действительно высокого напряжения была чрезвычайно опасной для людей.

Решение этой проблемы состояло в том, чтобы уменьшить напряжение вне дома, прежде чем отправлять его внутрь. И по сей день постоянный электрический ток используется для передачи на большие расстояния, в основном из-за его способности легко преобразовываться в другие напряжения.

назовите условия существования электрического тока

Как работает электрический ток

Условия существования электрического тока включают в себя наличие заряженных частиц, проводника и напряжения. Многие ученые изучали электричество и обнаружили, что существует два его типа: статическое и текущее.

Именно второе играет огромную роль в повседневной жизни любого человека, так как представляет собой электрический ток, который проходит через цепь. Мы ежедневно используем его для питания наших домов и многого другого.

условия возникновения и существования электрического тока

Что такое электрический ток?

Когда в цепи циркулируют электрические заряды из одного места в другое, возникает электрический ток. Условия существования электрического тока включают в себя, помимо заряженных частиц, наличие проводника. Чаще всего это провод. Схема его представляет собой замкнутый контур, в котором ток проходит от источника питания. Когда же цепь разомкнута, он не может закончить путь. Например, когда свет в вашей комнате выключен, цепь разомкнута, но когда цепь замкнута, свет горит.

Мощность тока

На условия существования электрического тока в проводнике большое влияние оказывает такая характеристика напряжения, как мощность. Это показатель того, сколько энергии используется в течение определенного периода времени.

Существует много разных единиц, которые могут использоваться для выражения данной характеристики. Однако электрическая мощность почти измеряется в ваттах. Один ватт равен одному джоулю в секунду.

Электрический заряд в движении

Каковы условия существования электрического тока? Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как молния или искра от трения с шерстяной тканью. Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества, благодаря которой горит свет и работают приборы. Большая часть электрического заряда переносится отрицательными электронами и положительными протонами внутри атома. Однако вторые в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому работа по переносу заряда из одного места в другое проделывается электронами.

Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени свободны для перехода от одного атома к другому вдоль их зон проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. Достаточная электродвижущая сила или напряжение создает дисбаланс заряда, который может вызвать движение электронов через проводник в виде электрического тока.

Если провести аналогию с водой, то возьмем, к примеру, трубу. Когда мы открываем клапан на одном конце, чтобы вода попала в трубу, то нам не нужно ждать, пока эта вода проложит весь путь до ее конца. Мы получаем воду на другом конце почти мгновенно, потому что входящая вода толкает воду, которая уже находится в трубе. Это то, что происходит в случае электрического тока в проводе.

электрический ток условия существования электрического тока

Электрический ток: условия существования электрического тока

Электрический ток обычно рассматривается как поток электронов. Когда два конца батареи соединены друг с другом с помощью металлической проволоки, эта заряженная масса через провод попадает из одного конца (электрода или полюса) батареи на противоположный. Итак, назовем условия существования электрического тока:

  1. Заряженные частицы.
  2. Проводник.
  3. Источник напряжения.

Однако не все так просто. Какие условия необходимы для существования электрического тока? На этот вопрос можно ответить более подробно, рассмотрев следующие характеристики:

  • Разность потенциалов (напряжение). Это одно из обязательных условий. Между 2 точками должна быть разница потенциалов, означающая, что отталкивающая сила, которая создается заряженными частицами в одном месте, должна быть больше, чем их сила в другой точке. Источники напряжения, как правило, не встречаются в природе, и электроны распределяются в окружающей среде достаточно равномерно. Все же ученым удалось изобрести определенные типы приборов, где эти заряженные частицы могут накапливаться, тем самым создавая то самое необходимое напряжение (например, в батарейках).
  • Электрическое сопротивление (проводник). Это второе важное условие, которое необходимо для существования электротока. Это путь, по которому перемещаются заряженные частицы. В качестве проводников выступают только те материалы, которые дают возможность электронам свободно перемещаться. Те же, у которых этой способности нет, называются изоляторами. Например, проволока из металла будет отличным проводником, в то время как ее резиновая оболочка будет превосходным изолятором.

Тщательно изучив условия возникновения и существования электрического тока, люди смогли приручить эту мощную и опасную стихию и направить ее на благо человечества.

Электрический ток. Условия существования тока. Основные понятия.

Электрический ток — упорядоченное по направлению движение электрических зарядов. За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.



Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:

    * магнитным (наблюдается во всех проводниках)
    * тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников)
    * химическим (наблюдается в электролитах).

Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:

    * наличие в среде свободных электрических зарядов
    * создание в среде электрического поля.

Электрическое поле в среде необходимо для создания направленного движения свободных зарядов. Как известно, на заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = q* E, которая и заставляет свободные заряды двигаться в направлении электрического поля. Признаком существования в проводнике электрического поля является наличие не равной нулю разности потенциалов между любыми двумя точками проводника,
Однако, электрические силы не могут длительное время поддерживать электрический ток. Направленное движение электрических зарядов через некоторое время приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и, следовательно, к исчезновению в нем электрического поля.

Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы).
Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.
Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока.
основные характеристики

1. Сила тока — I, единица измерения — 1 А (Ампер).
Силой тока называется величина, равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.
I = Dq/Dt .

Формула справедлива для постоянного тока, при котором сила тока и его направление не изменяются со временем. Если сила тока и его направление изменяются со временем, то такой ток называется переменным.
Для переменного тока:
I = lim Dq/Dt ,
Dt — 0

т.е. I = q’, где q’ — производная от заряда по времени.
2. Плотность тока — j, единица измерения — 1 А/м2.
Плотностью тока называется величина, равная силе тока, протекающего через единичное поперечное сечение проводника:
j = I/S .

3. Электродвижущая сила источника тока — э.д.с. ( e ), единица измерения — 1 В (Вольт). Э.д.с.- физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:
e = Аст./q .

4. Сопротивление проводника — R, единица измерения — 1 Ом.
Под действием электрического поля в вакууме свободные заряды двигались бы ускоренно. В веществе они движутся в среднем равномерно, т.к. часть энергии отдают частицам вещества при столкновениях.

Теория утверждает, что энергия упорядоченного движения зарядов рассеивается на искажениях кристаллической решетки. Исходя из природы электрического сопротивления, следует, что
R = r*l/S ,

где
l — длина проводника,
S — площадь поперечного сечения,
r — коэффициент пропорциональности, названный удельным сопротивлением материала.
Эта формула хорошо подтверждается на опыте.
Взаимодействие частиц проводника с движущимися в токе зарядами зависит от хаотического движения частиц, т.е. от температуры проводника. Известно, что
r = r0(1 + a t) ,
R = R0(1 + a t) .

Коэффициент a называется температурным коэффициентом сопротивления:
a = (R — R0)/R0*t .

Для химически чистых металлов a > 0 и равно 1/273 К-1. Для сплавов температурные коэффициенты имеют меньшее значение. Зависимость r(t) для металлов линейная:

В 1911 году открыто явление сверхпроводимости, заключающееся в том, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов падает скачком до нуля.

У некоторых веществ (например, у электролитов и полупроводников) удельное сопротивление с ростом температуры уменьшается, что объясняется ростом концентрации свободных зарядов.
Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью s
 s = 1/r .

5. Напряжение — U , единица измерения — 1 В.
Напряжение — физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними  и электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда.

U = (Aст.+ Аэл.)/q .

Так как  Аст./q = e, а  Аэл./q = f1-f2, то
U = e + (f1 — f2) .

Постоянный электрический ток. Направление тока, формула

 

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: постоянный электрический ток, сила тока, напряжение.

Электрический ток обеспечивает комфортом жизнь современного человека. Технологические достижения цивилизации — энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь — основаны на использовании электрического тока.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.

Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно — ток может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в своё время, а пока приведём лишь некоторые примеры.

• Замкнём полюса батарейки металлическим проводом. Свободные электроны провода начнут направленное движение от «минуса» батарейки к «плюсу».
Это — пример тока в металлах.

• Бросим в стакан воды щепотку поваренной соли . Молекулы соли диссоциируют на ионы, так что в растворе появятся свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы . Теперь засунем в воду два электрода, соединённые с полюсами батарейки. Ионы начнут направленное движение к отрицательному электроду, а ионы — к положительному.
Это — пример прохождения тока через раствор электролита.

• Грозовые тучи создают столь мощные электрические поля, что оказывается возможным пробой воздушного промежутка длиной в несколько километров. В результате сквозь воздух проходит гигантский разряд — молния.
Это — пример электрического тока в газе.

Во всех трёх рассмотренных примерах электрический ток обусловлен движением заряженных частиц внутри тела и называется током проводимости.

• Вот несколько иной пример. Будем перемещать в пространстве заряженное тело. Такая ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов — есть, перенос заряда в пространстве — присутствует. Ток, созданный движением макроскопического заряженного тела, называется конвекционным.

Заметим, что не всякое движение заряженных частиц образует ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов проводника — не направленное (оно совершается в каких угодно направлениях), и потому током не является (при возникновении тока свободные заряды продолжают совершать тепловое движение! Просто в этом случае к хаотическим перемещениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определённом
направлении).
Не будет током и поступательное движение электрически нейтрального тела: хотя заряженные частицы в его атомах и совершают направленное движение, не происходит переноса заряда из одних участков пространства в другие.

 

Направление электрического тока

 

Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?

Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.

Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).

\rm Cl^-

Рис. 1. Направление тока

Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.

Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.

 

Действия электрического тока

 

Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.

1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.

2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.

3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе положительные ионы двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.

Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.

Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.

 

Сила и плотность тока

 

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:

(1)

Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.

Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока.
Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).

В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.

Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:

(2)

где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:

Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2), плотность тока измеряется в А/м2.

 

Скорость направленного движения зарядов

 

Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.

Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.

Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.

Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.

1. Скорость распространения тока. Это — скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к км/с.

2. Скорость направленного движения свободных зарядов. Это — средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа.

Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.

Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим (в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна .

n

Рис. 2. К выводу формулы

Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?

С одной стороны, разумеется,

(3)

С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра с высотой . Их число равно:

Следовательно, их общий заряд будет равен:

(4)

Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:

(5)

Соответственно, плотность тока оказывается равна:

Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.

Заряд электрона известен: Кл.

Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:

м

Положим мм . Из формулы (5) получим:

м/с.

Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.

 

Стационарное электрическое поле

 

Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?

Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть — постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.

Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.

Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода — электрическое поле. По проводу потечёт ток. Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет. Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённость
поля внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.

То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи — для этого требуется совершать ненулевую работу.

Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?

Ответ — источник тока, важнейший элемент электрической цепи.

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).

Клеммы источника — это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи — как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.

В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего — химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.

Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника — так называемую ЭДС — мы изучим позже, в соответствующем листке.

А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?

Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.

Стационарное электрическое поле — это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.

Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.

А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).

1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).
Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории. Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.
2. В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).
Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула , где — напряжение на концах проводника, — напряжённость стационарного поля в проводнике, — длина проводника.

Электроника как искусство: электрический ток / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Среднестатистическая грамотность населения в области электроники и электротехники оставляет желать лучшего. Максимум, спаять схемку, а как она работает — темный лес. К сожалению, все русскоязычные учебники пестрят формулами и интегралами, от них любого человека потянет в сон. В англоязычной литературе дела обстоят несколько лучше. Попадаются довольно интересные издания, но камнем преткновения здесь уже выступает английский язык. Постараюсь изложить основные понятия по электротехнике максимально доступно, в вольном стиле, не от инженера инженеру, а от человека человеку. Сведущий читатель, возможно, тоже найдет для себя несколько интересных моментов.
Электрический ток

Пути электрического тока неисповедимы. (с) мысли из интернета

На самом деле, нет. Все так или иначе можно описать с помощью математической модели, моделирования, да даже прикинув по-быстренькому на бумажке, а некоторые уникумы делают это в голове. Кому как удобнее. На самом деле, эпиграф этой главы родился от незнания, что же такое электрический ток.

Электрический ток характеризуется несколькими параметрами. Напряжением U и током I. Конечно, все мы помним определения по физике, но мало кто понимает их значения. Начну с напряжения. Разность потенциалов или работа по перемещению заряда, как сухо и неинтересно пишут в учебниках. На самом деле, напряжение всегда измеряется между двумя точками. Оно характеризует способность создавать электрический ток между этими двумя точками. Назовем эти точки источником напряжения. Чем больше напряжение, тем больше ток. Меньше напряжения – меньше ток. Но об этом чуть позже.

Что же такое ток? Представьте аналогию русло реки – это провода, электрический ток – это скорость потока воды в реке. Тогда напряжение здесь – перепад высоты между начальной точкой реки и конечной точкой. Или напряжение – это насос гоняющий воду, если река течет в одной плоскости. Такие аналогии на начальных этапах очень помогают понять, что же происходит в электрической схеме. Но, в конечном итоге, лучше от них отказаться. Лучше представить ток как некий поток электронов. Количество заряда, перемещаемое в единицу времени. Конечно, в учебниках говорится, что де электроны движутся со скоростью несколько сантиметров в минуту и значение имеет лишь электромагнитное поле, но пока забудем про это. Итак, под током можно понимать движение электрического тока, т.е. заряда. Носители заряда, электроны, отрицательно заряжены и двигаются от отрицательного потенциала к положительному, электрический ток же имеет направление от положительного потенциала к отрицательному, от плюса к минусу, так принято для удобства и так мы будем пользоваться в дальнейшем, забыв про заряд электрона.

Конечно, сам по себе ток не появится, нужно создать напряжение между двумя точками и нужна какая-либо нагрузка для протекания тока через нее, подключенная к этим двум точками. Очень полезно знать свойство, что для протекания тока нужно два проводника: прямой, до нагрузки, и обратный, от нагрузки до источника. Например, если не замкнуты проводники источника напряжения, то тока не будет.

Что же такое источник напряжения? Представим его в виде черного ящика, имеющего как минимум два вывода для подключения. Самые простые примеры из реальной жизни: электрическая розетка, батарейка, аккумулятор и т.п.


Идеальный источник напряжения обладает неизменным напряжением при протекании через него любого значения тока. Что же будет, если замкнуть зажимы идеального источника напряжения? Потечет бесконечно большой ток. В реальности источники напряжения не могут отдать бесконечно большой ток, потому что обладают некоторым сопротивлением. Например, провода в сетевой розетке 220в от самой розетки до подстанции имеют сопротивление, пусть и малое, но довольно ощутимое. Провода от подстанций до электростанций тоже имеют сопротивление. Нельзя забывать про полное сопротивление трансформаторов и генераторов. Батарейки имеют внутреннее сопротивление, обусловленное внутренней химической реакцией, которая имеет конечную скорость протекания.

Что же такое сопротивление? Вообще, это тема довольно обширная. Возможно, опишу в одной из следующих глав. Если кратко – это параметр, связывающий ток и напряжение. Оно характеризует, какой ток потечет при приложенном напряжении к этому сопротивлению. Если говорить «водной» аналогией, то сопротивление – это дамба на пути реки. Чем меньше отверстие в дамбе – тем больше сопротивление. Эту связь описывает закон Ома: . Как говорится: «Не знаешь закон Ома, сиди дома!».

Зная закон Ома, не сидя дома, имея какой-либо источник тока с заданным напряжением и сопротивление в виде нагрузки, мы очень точно можем предсказать какой потечет ток.
Реальные источники напряжения имеют какое-то свое внутреннее напряжение и отдают некий конечный ток, называемый током короткого замыкания. При этом батареи и аккумуляторы еще и разряжаются со временем и имеют нелинейное внутреннее сопротивление. Но пока тоже забудем об этом, и вот почему. В реальных схемах удобнее проводить анализ с использованием сиюминутных мгновенных значений напряжения и тока, поэтому будем считать источники напряжения идеальными. За исключением того факта, когда потребуется посчитать максимальны ток, который способен отдать источник.

Насчет «водной» аналогии электрического тока. Как я уже писал, она не очень правдива, поскольку скорость движения реки до дамбы и после дамбы будет разным, также разным будет кол-во воды до и после дамбы. В реальных схемах электрический ток втекающий в резистор и вытекающий из него будет равен между собой. Ток по прямому проводу, к нагрузке, и по обратному проводу, от нагрузки до источника, тоже равен между собой. Ток ни откуда не берется и никуда не девается, сколько «втекло» в узел схемы, столько и «вытечет», даже если путей несколько. Например, если есть два пути протекания тока от источника, то он потечет по этим путям, при этом полный ток источника будет равен сумме двух токов. И так далее. Это и есть иллюстрация закона Кирхгофа. Это очень просто.


Также есть еще два важных правила. При параллельном соединении элементов, напряжение в каждом из элементов одинаково. Например, напряжение на резисторе R2 и R3, на рисунке выше, одинаковы, но токи могут быть разными, если резисторы имеют разные сопротивления, по закону Ома. Ток через батарейку равен току на резисторе R1 и равен сумме токов на резисторах R2 и R3. При последовательном соединении напряжения элементов складываются. Например, напряжение которое выдает батарея, т.е. ее ЭДС, равно напряжению на резисторе R1 + напряжение на резисторе R2 или R3.

Как я уже писал, напряжение измеряется всегда между двумя точками. Иногда, в литературе можно встретить: «Напряжение в точке такой-то». Это означает напряжение между этой точкой и точкой нулевого потенциала. Создать точку нулевого потенциала можно, например, заземлив схему. Обычно «землят» схему в месте самого отрицательно потенциала около источника питания, например, как на рисунке выше. Правда это бывает не всегда, да и применение нуля довольно условно, например, если нам нужно двухполярное питание +15 и -15 вольт, то «землить» надо уже не -15в, а потенциал посредине. Если же заземлить -15в, то мы получим 0, +15, +30в. См. рисунки ниже.


Заземление также применяется в качестве защитного или рабочего. Защитное заземление называют зануление. Если нарушится изоляция схемы в каком-нибудь другом участке, отличном от земли, то по нулевому проводу потечет большой ток и сработает защита, которая отключит часть схемы. Защиту мы должны предусмотреть заранее, поставив автоматический выключатель или иное устройство на пути протекания тока.

Иногда «землить» схему нельзя или невозможно. Вместо земли применяют термин общая точка или ноль. Напряжения в таких схемах указываются относительно общей точки. При этом вся схема относительно земли, т.е. нулевого потенциала может располагаться где угодно. См. рисунок.


Обычно, Xv близко к 0 вольт. Такие незаземленные схемы с одной стороны более безопасны, поскольку если человек прикоснется одновременно к схеме и земле ток не потечет, т.к. нет обратного пути протекания тока. Т.е. схема станет «заземлена» через человека. Но с другой стороны такие схемы каверзны. Если вдруг нарушится изоляция схемы от земли в какой-либо ее точке, то мы этого не узнаем. Что может быть опасно, при больших напряжениях Xv.

Вообще земля — это термин довольно обширный и расплывчатый. Есть очень много терминов и названий земли, смотря где «землить» схему. Под землей может пониматься как защитная земля, так и рабочая земля (по протеканию тока через нее при нормальной работе), как сигнальная земля, так и силовая земля (по роду тока), как аналоговая земля, так и цифровая земля (по роду сигнала). Под землей может пониматься общая точка или наоборот, под общей точкой пониматься земля или и быть ей. Также в схеме могут присутствовать все земли одновременно. Так что надо смотреть по контексту. Есть даже такая забавная картиночка в иностранной литературе, см. ниже. Но обычно земля – это схемные 0 вольт и это точка от которой измеряют потенциал схемы.


До сих пор, упоминая источник напряжения, я не касался рода этого самого напряжения. Напряжение есть меняющееся со временем и есть не меняющееся. Т.е. переменное и постоянное. Например, напряжение, меняющееся по синусоидальному закону всем хорошо знакомо, это напряжение сети 220в в бытовых розетках. С постоянным напряжением работать очень просто, мы это уже делали выше, когда рассматривали закон Кирхгофа. А что же делать с переменным напряжением и как его рассматривать?

На рисунке приведены несколько периодов переменного напряжения 220в 50Гц (синяя линия). Красная линия – постоянное напряжение 220в, для сравнения.


Определимся, сначала что такое напряжение 220в, кстати, по новому стандарту положено считать 230в. Это действующее значение напряжения. Амплитудное значение будет в корень из 2х раз выше и составит примерно 308в. Действующее значение – это такое значение напряжения, при котором за период переменного тока в проводнике выделяется столько же теплоты, сколько и при постоянном токе такого же напряжения. Выражаясь математическим языком – это среднеквадратичное значение напряжения. В английской литературе используется термин RMS, а приборы, которые измеряют истинное действующее значение имеют знак «true RMS».

На первый взгляд это может показаться неудобным, какое-то действующее значение, но это удобно для расчетов мощности без необходимости конвертации напряжения.

Переменное напряжение еще удобно рассматривать как постоянное напряжение, взятое в какой-либо точке времени. После чего проводить анализ схемы несколько раз, изменяя знак постоянного напряжение на обратный. Сначала рассмотреть работу схемы с постоянным положительным напряжением, потом, изменить знак, с положительного на отрицательный.
Для переменного напряжения также необходимо два провода. Они называются фаза и ноль. Иногда ноль заземляют. Такая система называется однофазной. Напряжение фазы измеряется относительно нуля и меняется со временем, как показано на рисунке выше. При положительной полуволне напряжения ток протекает от фазы к активной нагрузке и от нагрузки возвращается обратно по нулевому проводу. При отрицательной полуволне ток течет по нулевому проводу и возвращается по фазному.

В промышленности широко применяют трехфазную сеть. Это частный случай многофазных систем. По сути все тоже самое, что и однофазная система, только умноженная на 3, т.е. применение одновременно трех фаз и трех земель. Впервые изобретено Н. Тесла, впоследствии усовершенствовано М. О. Доливо-Добровольским. Усовершенствование состояло в том, что для передачи трехфазного электрического тока можно было выкинуть лишние провода, достаточно четырех: три фазы ABC и нулевой провод или же вовсе три фазы, отказавшись от нуля. Нулевой провод очень часто заземляют. На рисунке ниже ноль общий.


Почему же 3 фазы, и не больше, не меньше? С одной стороны, 3 фазы гарантированно создают вращающееся магнитное поле, так необходимое электрическим двигателям для вращения или получаемое от генераторов электростанций, с другой стороны это экономически выгодно с материальной точки зрения. Меньше нельзя, а больше и не нужно.

Чтобы гарантировано создавать вращающееся поле в трехфазной сети нужно чтобы фазы напряжения были сдвинуты друг относительно друга. Если принять полный период напряжения за 360 градусов, то 360/3 = 120 градусов. Т.е. напряжение каждой фазы сдвинуто относительно друг друга на 120 градусов. См. рисунок ниже.


Здесь показан график напряжения 3-х фазной сети 380в по времени. Как видно из рисунка, все тоже самое, что и с однофазной сетью, только напряжений стало больше. 380в – это так называемое линейное напряжение сети Uл, т.е. напряжение, измеряемое между двумя фазами. На рисунке показан пример нахождения мгновенного значения Uл. Оно также изменяется по синусоидальному закону. Также наряду с линейным напряжением различают фазное Uф. Оно измеряется между фазой и нулем. Фазное напряжение в данной трехфазной сети равно 220в. Под фазным и линейным напряжение, конечно же подразумевается действующее напряжение. Соотносятся линейное к фазному напряжению, как корень из трех.
Нагрузку к трехфазной сети можно подключать как угодно – к фазному напряжению: между какой-либо фазой и нулем, либо к линейному напряжению: между двумя фазами. Если нагрузка подключена к фазному напряжению, то такая схема соединения называется звездой. Она и показана выше. Если к линейному напряжения – то соединение треугольником. Если одинаковая нагрузка подключается к линейным напряжениям между всеми тремя фазами, то такие сети симметричные. Ток через нулевой провод в симметричных сетях не течет. См рис. ниже. Промышленные сети также считаются условно симметричными. Как правило ноль в таких сетях присутствует, но лишь в защитных целях. Иногда может и отсутствовать вообще. Веселая картиночка из вики наглядно иллюстрирует как протекает ток в таких сетях.
На этом кратенький обзор по электросетям и электричеству завершен. Возможно в будущем объясню на пальцах как работает диод и транзистор, что такое стабилитрон, тиристор и другие элементы. Пишите, про что вам интересно почитать.
Библиографический список

  1. Искусство схемотехники, П. Хоровиц. 2003.
  2. GROUNDS FOR GROUNDING. A Circuit-to-System Handbook, Elya B. Joffe, Kai-Sang Lock.
  3. Wiki и интернет ресурсы.

Постоянный электрический ток. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрический ток — упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц Направленное движение свободных зарядов (носителей тока) в проводнике возможно под действием внешнего электрического поля

За направление тока принимается направление движения положительно заряженных частиц.

Электрический ток — упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц Направленное движение свободных зарядов (носителей тока) в проводнике возможно под действием внешнего электрического поля

За направление тока принимается направление движения положительно заряженных частиц.

Сила тока в данный момент времени — скалярная физическая величина, равная пределу отношения величины электрического заряда, прошедшего сквозь поперечное сечение проводника, к промежутку времени его прохождения

Единица силы тока (основная единица СИ) — ампер (1 А) 1 А = 1 Кл/с

Постоянный электрический ток — ток, сила которого не изменяется с течением времени

Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды

Сторонние силы — силы неэлектростатического происхождения, вызывающие разделение зарядов в источнике тока

ЭДС— скалярная физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению положительного заряда от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда:

ЭДС равна напряжению между полюсами разомкнутого источника тока.

Закон Ома для однородного проводника (участка цепи): сила тока в однородном проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника

Сопротивление проводника прямо пропорционально его удельному сопротивлению и длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения

Единица сопротивления — ом (1 Ом) 1 Ом = 1 В/А

Резистор — проводник с определенным постоянным сопротивлением

Удельное сопротивление — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади.

Единица удельного сопротивления — ом-метр (1 Ом • м).

Удельное сопротивление металлического проводника линейно возрастает с температурой:

где ρ0— удельное сопротивление при T0 = 293 К, ΔТ= Т- T0, α — температурный коэффициент сопротивления. Единица температурного коэффициента сопротивления К-1. Удельное сопротивление полупроводника уменьшается при увеличении температуры из-за увеличения числа свободных зарядов, способных переносить электрический ток.

Дырка — вакантное электронное состояние в кристаллической решетке, имеющее избыточный положительный заряд.

Сверхпроводимость — физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.

Критическая температура — температура скачкообразного перехода вещества из нормального состояния в сверхпроводящее.

Изотопический эффект — зависимость критической температуры от массы ионов в кристаллической решетке.

Электрический ток в сверхпроводнике обусловлен согласованным движением пар электронов, связанных между собой взаимодействием с кристаллической решеткой

При последовательном соединении резисторов общее сопротивление цепи равно сумме их сопротивлений При параллельном соединении резисторов проводимость цепи равна сумме их проводимостей Закон Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

где R и r — внешнее и внутреннее сопротивления цепи.

Закон Ома для замкнутой цепи с несколькими последовательно соединенными источниками тока:

сила тока в замкнутой цепи с последовательно соединенными источниками тока прямо пропорциональна алгебраической сумме их ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

Амперметр измеряет силу электрического тока, включается в цепь последовательно

Шунт — проводник, присоединяемый параллельно амперметру для увеличения предела его измерений*

где RA — сопротивление амперметра, n — кратность изменения предела измерений.

Вольтметр измеряет электрическое напряжение. Включается в цепь параллельно

Дополнительное сопротивление — проводник, присоединяемый последовательно с вольтметром для увеличения предела его измерений.

где Rv — сопротивление вольтметра Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе электрического тока.

Закон Джоуля—Ленца: количество теплоты, выделяемое в проводнике с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения по нему тока:

Мощность электрического тока — работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике

Потребителю передается максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно суммарному сопротивлению источника тока и подводящих проводов

Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками электрического тока

Электролиты — вещества, растворы и расплавы которых обладают ионной проводимостью.

Электролитическая диссоциация — расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя

Электролиз — выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока

Закон Фарадея: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита. где k— электрохимический эквивалент вещества.

Единица электрохимического эквивалента — килограмм на кулон (1 кг/Кл).

Объединенный закон Фарадея:

где М — молярная масса, n — валентность химического элемента; постоянная Фарадея F = 9,65- 104Кл/моль.

Симптомы, лечение и когда обращаться за помощью

Когда электрический ток касается или проходит через тело, это называется поражением электрическим током. Это может произойти везде, где есть электричество. Последствия поражения электрическим током варьируются от полного отсутствия до тяжелых травм и смерти.

Примерно 5% госпитализаций в ожоговые отделения в США вызваны поражениями электрическим током. Любой, кто получил удар высоким напряжением или получил электрический ожог, должен немедленно обратиться за медицинской помощью.

В этой статье будут рассмотрены симптомы поражения электрическим током, даны советы по оказанию первой помощи и когда следует обращаться за медицинской помощью.

Поражение электрическим током происходит, когда электрический ток проходит от розетки под напряжением к части тела.

Поражение электрическим током может произойти в результате контакта с:

  • неисправными электрическими приборами или механизмами
  • бытовой электропроводкой
  • линиями электропередач
  • молниями
  • розетками электроэнергии

Существует четыре основных типа травм в результате электрического контакта:

  • Вспышка: Повреждение от вспышки обычно вызывает поверхностные ожоги.Они возникают в результате вспышки дуги, которая является разновидностью электрического взрыва. Ток не проникает через кожу.
  • Пламя: Эти травмы возникают, когда вспышка дуги вызывает возгорание одежды человека. Ток может проходить или не проходить через кожу.
  • Молния: Это короткое, но высокое электрическое напряжение. Ток течет по телу человека.
  • Верно: Человек становится частью цепи, а электричество входит в тело и выходит из него.

Удар током от прикосновения к электрическим розеткам или от небольших бытовых приборов в доме редко вызывает серьезные травмы. Однако продолжительный контакт может причинить вред.

Порог отпускания — это уровень, при котором мышцы человека сокращаются, что означает, что он не может отпустить источник электричества, пока кто-нибудь не уберет его безопасно. В этой таблице показана реакция организма на ток различной силы, измеренный в миллиамперах (мА):

Согласно статье 2019 года, домашнее электричество проходит через типичный U.В быту S. составляет 110 вольт (В), а некоторым приборам требуется 240 В. Промышленные линии и линии электропередач могут выдерживать напряжение более 100000 В.

В той же статье говорится, что ток высокого напряжения 500 В и более может вызвать глубокие ожоги, в то время как токи низкого напряжения, составляющие 110–120 В, могут вызвать мышечные спазмы.

Человек может получить удар электрическим током при контакте с электрическим током от небольшого бытового прибора, розетки или удлинителя. Эти шоки редко вызывают серьезные травмы или осложнения.

Примерно половина случаев смерти от электрического тока происходит на рабочем месте. К профессиям с высоким риском для несмертельного поражения электрическим током относятся:

  • строительство
  • отдых и гостеприимство
  • образование и здравоохранение
  • услуги по размещению и питанию
  • производство

На степень серьезности травм от поражения электрическим током могут повлиять несколько факторов, в том числе :

  • сила тока
  • тип тока — переменный ток (AC) или постоянный ток (DC)
  • в какой части тела ток достигает
  • как долго человек находится под действием тока
  • сопротивление току

Симптомы поражения электрическим током зависят от многих факторов.Травмы от разряда низкого напряжения, скорее всего, будут поверхностными, в то время как продолжительное воздействие электрического тока может вызвать более глубокие ожоги.

Поражение электрическим током может привести к вторичным травмам. Человек может в ответ дернуться, что может привести к потере равновесия или падению и травме другой части тела.

Краткосрочные побочные эффекты

В зависимости от степени тяжести непосредственные последствия электрического поражения могут включать:

  • ожоги
  • нерегулярное сердцебиение
  • судороги
  • покалывание или покалывание
  • потеря сознания
  • головные боли

Некоторые люди могут испытывать неприятные ощущения, но не имеют видимых физических повреждений, тогда как другие могут испытывать сильную боль и очевидное повреждение тканей.

У тех, кто не испытал серьезных травм или сердечных аномалий через 24–48 часов после удара током, они вряд ли разовьются.

Более серьезные побочные эффекты могут включать:

Долгосрочные побочные эффекты

Одно исследование показало, что люди, получившие электрический шок, не имели большей вероятности испытывать проблемы с сердцем через 5 лет после инцидента по сравнению с теми, кто этого не делал.

Человек может испытывать различные симптомы, включая психологические, неврологические и физические симптомы.

Симптомы могут включать:

Любой человек, получивший ожог от поражения электрическим током или пострадавший от поражения электрическим током, должен обратиться за советом к медицинскому работнику.

Незначительные поражения электрическим током, например от небольших бытовых приборов, обычно не требуют лечения. Однако человеку следует обратиться к врачу, если он получил удар электрическим током.

Если кто-то получил удар высоким напряжением, немедленно звоните 911.

Если человек пережил серьезное поражение электрическим током, Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) дают следующие рекомендации о том, как действовать:

  • Не прикасайтесь к человеку, так как он может контактировать с источником электричества.
  • Позвоните 911 или попросите кого-нибудь позвонить 911.
  • Если это безопасно, отключите источник электричества. Если это небезопасно, используйте непроводящий предмет из дерева, картона или пластика, чтобы отодвинуть источник.
  • Как только они отойдут от источника электричества, проверьте пульс человека и посмотрите, дышит ли он. Если их дыхание поверхностное, немедленно начните СЛР.
  • Если человек слаб или бледен, положите его голову ниже туловища и поднимите ноги.
  • Запрещается прикасаться к ожогам или снимать обгоревшую одежду.

Чтобы выполнить СЛР, человек должен:

  1. Положить руки одна на другую в середине груди. Используя вес тела, сильно и быстро надавите вниз и сделайте компрессы глубиной 2 дюйма. Цель — сделать 100 компрессий за 60 секунд.
  2. Выполните искусственное дыхание. Для этого убедитесь, что рот человека чистый, запрокиньте голову, поднимите подбородок, зажмите нос и подуйте в рот, чтобы грудь поднялась.Выполните два искусственных вдоха и продолжайте компрессии.
  3. Повторяйте процесс, пока не прибудет помощь или человек не начнет дышать.

В отделении неотложной помощи врач проведет тщательный медицинский осмотр для оценки возможных внешних и внутренних повреждений. Возможные тесты включают:

  • электрокардиограмма (ЭКГ) для контроля сердечного ритма
  • компьютерная томография (КТ) для проверки состояния мозга, позвоночника и грудной клетки
  • анализ крови
  • тест на беременность (только для беременных)

Не каждому человеку, пострадавшему от поражения электрическим током, необходимо посещать отделение неотложной помощи (ED).Следуйте этому совету:

  • Позвоните в службу 911, если человек испытает удар высоким напряжением 500 В или более.
  • Обратитесь в отделение неотложной помощи, если человек получил электрошок низкого напряжения и получил ожог. Не пытайтесь лечить ожог в домашних условиях.
  • Если человек испытал низковольтный ток без ожога, обратитесь к врачу, чтобы убедиться в отсутствии повреждений.

Поражение электрическим током может стать причиной не всегда видимых травм. В зависимости от того, насколько высоким было напряжение, травма может быть смертельной.Однако, если человек пережил первоначальное поражение электрическим током, ему следует обратиться за медицинской помощью, чтобы убедиться, что не произошло никаких травм.

Если кто-то думает, что кто-то получил серьезное поражение электрическим током, немедленно звоните в службу 911.

Даже после легкого шока человек должен обратиться к врачу.

Поражение электрическим током и травмы, которые они могут вызвать, варьируются от незначительных до тяжелых. В доме часто случается поражение электрическим током, поэтому регулярно проверяйте бытовую технику на предмет повреждений.

Люди, работающие в условиях окружающей среды во время установки электрических систем, должны проявлять особую осторожность и всегда соблюдать правила техники безопасности.

Если человек пережил сильный удар электрическим током, окажите первую помощь, если это безопасно, и позвоните по номеру 911.

.

Почему трансформатор не работает от источника постоянного тока вместо переменного тока?

Что происходит, когда первичная обмотка трансформатора подключена к источнику постоянного тока?

Трансформатор — это устройство, которое повышает или понижает уровень переменного тока или напряжения без изменения первичной частоты (т. Е. Входного источника).

Трансформатор работает только от переменного тока и не может работать от постоянного тока, т. Е. Он был разработан для работы только и только от переменного тока и напряжения. Чтобы узнать, что произойдет, если мы подключим источник постоянного тока к первичной обмотке трансформатора, см. Следующие примеры, где мы сначала подключаем трансформатор к переменному току, а затем к постоянному току.

Связанные сообщения:

Why a transformer cannot be operated on DC - What happens when a Transformer connected to the DC Supply Why a transformer cannot be operated on DC - What happens when a Transformer connected to the DC Supply

Трансформатор, подключенный к источнику переменного тока

Предположим, мы подключаем трансформатор к источнику переменного тока со следующими данными.

  • Первичное напряжение = В 1 = 230 В
  • Сопротивление = R 1 = 10 Ом
  • Индуктивность = L = 0,4 Гн
  • Частота источника = 50 Гц

Давайте посмотрим, сколько тока будет протекать через первичный трансформатора в случае переменного тока.

Мы знаем, что сопротивление по переменному току = Импеданс

Импеданс = Z = В / I Ом

Где Z = √ (R 2 + X L ) 2 в случае индуктивной цепи.

X L = 2π f L

X L = 2 x 3,1415 x 50 Гц x 0,4H

X L = 125,67 Ом

Теперь для импеданса

Z = √ ( R 2 + X L ) 2

Ввод значений

Z = √ (10 2 Ом + 125.67 2 Ом)

Z = 126,1 Ом

Текущий ток в первичной обмотке

I = V / Z

I = 230 В / 126,1 Ом = 1,82 A

Первичный ток в первичной обмотке случай переменного тока = 1,82 А

Связанные сообщения:

Трансформатор, подключенный к источнику постоянного тока

Теперь подключите тот же трансформатор к напряжению постоянного тока и посмотрим, что произойдет.

Мы знаем, что в постоянном токе нет частоты, т.е.f = 0. Следовательно, индуктивное реактивное сопротивление X L будет равно нулю, если мы положим f = 0 в X L = 2π f L.

Таким образом, ток в первичной обмотке трансформатора в случае источника постоянного тока.

I = V / R

I = 230 В / 10 Ом

I = 23 A.

Первичный ток в случае постоянного тока = 23A

Связанные сообщения:

Приведенный выше расчет показывает, что чрезмерный ток будет течь в первичной обмотке трансформатора в случае подачи постоянного тока, который сожжет первичные обмотки трансформатора. ,Это не единственная причина, поскольку ток будет постоянным, теперь давайте посмотрим, что происходит в случае постоянного тока в трансформаторе.

Если первичная обмотка трансформатора подключена к источнику постоянного тока, первичная обмотка будет потреблять постоянный ток и, следовательно, производить постоянный магнитный поток. Следовательно, не будет производиться обратная ЭДС. Их первичная обмотка будет потреблять чрезмерный ток из-за низкого сопротивления первичной, потому что мы знаем, что индуктивное реактивное сопротивление (X L ) равно нулю из-за формулы индуктивного реактивного сопротивления (X L = 2π f L), где частота Источник постоянного тока равен нулю.В результате первичная обмотка перегревается и перегорает или перегорает предохранитель и автоматический выключатель. Следует соблюдать осторожность, чтобы не подключить первичную обмотку трансформатора к источнику постоянного тока.

Похожие сообщения:

Почему трансформатор не может работать от постоянного тока вместо переменного тока?

Если мы подаем постоянное напряжение или ток на первичную обмотку трансформатора, то следующие результаты:

Мы знаем, что

v = L (di / dt)

Где:

  • v = мгновенно напряжение на первичных обмотках
  • L = индуктивность катушки индуктивности
  • di / dt = мгновенная скорость изменения тока в А / с

Теперь в этом случае напряжения постоянны i.е. Постоянный ток. Теперь ток (i) будет быстро увеличиваться, пока не станет насыщенным железный сердечник трансформатора.

На этом этапе ток (i) возрастет до опасного уровня и перестанет изменяться. Когда нет изменения тока (i), индуцированное напряжение в первичной обмотке будет равно нулю, так как di / dt = 0, что приводит к короткому замыканию обмотки трансформатора с источником постоянного тока.

Когда ток превысит безопасный уровень, произойдет большая потеря мощности, так как P = I 2 R . в результате чего температура поднимется до опасного уровня и может произойти взрыв трансформатора, а также может возникнуть возгорание трансформаторного масла.

Или давайте посмотрим на Второй закон Фарадея

e = N dΦ / dt

Где

  • e = Индуцированная ЭДС
  • N = количество витков
  • dΦ = Изменение потока
  • dt = Изменение во времени

В случае подачи постоянного напряжения на трансформатор, будет постоянный магнитный поток (Φ), индуцированный в первичной обмотке из-за постоянного тока.

Теперь наведенная ЭДС в первичной обмотке будет равна нулю как (dΦ / dt = 0), т.е. e = N dϕ / dt = 0 из-за постоянного потока, индуцированного постоянным током.

Мы также знаем, что в источнике постоянного тока нет частоты и поток обратно пропорционален частоте ( Φ = V / f ), которая насыщает сердечник трансформатора.

Это означает, что первичная обмотка трансформатора будет действовать путем короткого замыкания на дополнительный постоянный ток, который может вызвать взрыв трансформатора в целом. Именно по этой причине мы не должны подключать трансформатор к источнику постоянного тока вместо переменного тока.

Похожие сообщения:

При каких условиях питание постоянного тока безопасно применяется к первичной обмотке трансформатора?

В большинстве случаев это вопрос типа собеседования по электротехнике и электронике, поэтому давайте посмотрим, как подключить трансформатор к источнику постоянного тока.

Есть два условия, при которых мы можем подключить трансформатор к постоянному току.

  • Пульсирующий постоянный ток в качестве входа
  • Высокое сопротивление последовательно с первичной обмоткой

Пульсирующий постоянный ток в трансформаторе

В этом методе пульсирующий постоянный ток (который содержит пульсации и не является чистой формой устойчивого состояния ток) к первичной обмотке трансформатора. В этом случае отрицательный цикл сбрасывает магнитный поток, и интеграл по времени напряжения равен нулю за один полный цикл, что снова помогает сбросить магнитный поток в обмотке.Эта концепция используется в SMPS (импульсный источник питания.

Высокорезистор последовательно с трансформатором

Поскольку мы знаем, что трансформатор работает только от переменного тока. В случае питания постоянного тока первичная обмотка трансформатора может начать работать) дым и горение. Но есть способ, которым мы можем управлять трансформатором на постоянном токе (хотя схема бесполезна без выхода), добавив резистор большого номинала последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

Когда первичная обмотка трансформатор должен быть подключен к источнику постоянного тока.высокое сопротивление подключено последовательно с первичной обмоткой. Это последовательное сопротивление ограничивает первичный ток до безопасного значения постоянного тока и, таким образом, предотвращает выгорание первичной обмотки.

Обратите внимание, что не подключайте трансформатор к источнику постоянного тока без высокого сопротивления последовательно с первичной обмоткой. Потому что в постоянном токе нет частоты, а полное сопротивление (Z) индуктора равно нулю. Если вы поместите Z = 0 в I = V / Z, ток будет слишком большим, т.е. индуктор действует как короткое замыкание на постоянное напряжение и токи.

Похожие сообщения:

.

Шесть рабочих условий сети, при которых может возникать феррорезонанс

Феррорезонанс и его причины

Из-за множества различных источников емкостей и нелинейных индуктивностей в реальной сети питания и широкого диапазона рабочих условий, конфигурации, при которых может возникать феррорезонанс, бесконечны.

Six network operating conditions under which ferroresonance can occur Шесть рабочих условий сети, при которых может возникнуть феррорезонанс (фото: geisrl.it) Однако опыт

позволил перечислить основные типовые конфигурации, которые могут привести к феррорезонансу.

Шесть наиболее распространенных примеров описаны ниже:

  1. Трансформатор напряжения запитан через градуировочную емкость одного (или нескольких) размыкающих выключателей
  2. Трансформаторы напряжения (ТН), подключенные к системе с изолированной нейтралью
  3. Трансформатор случайно запитался только в одной или двух фазах
  4. Трансформаторы напряжения и трансформаторы В / СН с изолированной нейтралью
  5. Энергосистема заземлена через реактор
  6. Трансформатор, питаемый от высокоемкостной энергосистемы с низкой мощностью короткого замыкания

1.Трансформатор напряжения находится под напряжением через градуированную емкость одного (или нескольких) выключателей (выключателей)

В сверхвысоком напряжении определенные операции переключения (блокировка шинного соединителя или переключаемого автоматического выключателя сборных шин, устранение неисправности на секции сборных шин …) могут привести к феррорезонансу трансформаторов напряжения (ТН), подключенных между фазами и землей.

Эти конфигурации могут быть проиллюстрированы схемой на рисунке 1. Отключение автоматического выключателя D инициирует явление, вызывая разряд емкости C через ТН, который затем приводится в насыщение.Источник выдает достаточно энергии через градуировочную емкость автоматического выключателя C d для поддержания колебаний.

Ferroresonance of a voltage transformer connected in series with an open circuit breaker Ferroresonance of a voltage transformer connected in series with an open circuit breaker Рисунок 1 — Феррорезонанс трансформатора напряжения, включенного последовательно с размыкателем цепи

Емкость C соответствует всем емкостям относительно земли ТН и соединения, получаемого с помощью градуированных емкостей разомкнутого выключателя (ей).

Феррорезонанс субгармонического типа.

Вернуться к содержанию ↑


2.Трансформаторы напряжения (ТН), подключенные к системе изолированной нейтрали

Эту систему заземления можно выбрать, она может возникнуть в результате подключения изолированной нейтрали аварийного источника или в результате потери заземления системы. Переходные перенапряжения или сверхтоки из-за операций переключения в энергосистеме (снятие нагрузки, устранение неисправности и т. Д.) Или из-за замыкания на землю могут инициировать явление, приводя к насыщению железный сердечник одного или двух ТН параллельного феррорезонансного схема на рисунке 6.

Затем наблюдается феррорезонанс как фазных напряжений, так и напряжения нейтральной точки (V N ).

Ferroresonance of a VT between phase and earth in an isolated neutral system Ferroresonance of a VT between phase and earth in an isolated neutral system Рисунок 2 — Феррорезонанс ТН между фазой и землей в изолированной нейтральной системе

Нейтральная точка смещается, и потенциал одной или двух фаз повышается относительно земли, что может создать впечатление однофазного замыкания на землю в системе.

Значения перенапряжения могут превышать нормальное межфазное напряжение в установившемся режиме и вызывать диэлектрическое разрушение электрического оборудования.

В зависимости от относительных значений намагничивающей индуктивности ТН и емкости C 0 феррорезонанс бывает фундаментальным, субгармоническим или квазипериодическим.

Вернуться к содержанию ↑


3. Трансформатор случайно запитался только в одной или двух фазах

Несколько примеров конфигураций, подверженных риску, приведены на рисунке 3 ниже. Эти конфигурации могут возникать , когда одна или две фазы источника теряются, когда трансформатор разгружен или слегка нагружен , в результате перегорания предохранителя в системе питания среднего напряжения, разрыва проводника или работ под напряжением.

Например, при вводе в эксплуатацию выключателя с дистанционным управлением.

Examples of unbalanced systems at risk from ferroresonance Examples of unbalanced systems at risk from ferroresonance Рисунок 3 — Примеры несбалансированных систем, подверженных риску феррорезонанса

Емкости могут быть в виде емкости подземного кабеля или воздушной линии, питающей трансформатор, первичные обмотки которого соединены звездой с изолированной или заземленной нейтралью или соединены треугольником.

Например, последовательная феррорезонансная цепь состоит из последовательного соединения емкости фаза-земля (между автоматическим выключателем и трансформатором) разомкнутой фазы и намагничивающего сопротивления трансформатора. Режимы: основной, субгармонический или хаотический.

Междуфазная емкость и емкость между фазой и землей, соединения первичной и вторичной обмоток, конфигурация сердечника (три однофазных, свободный или принудительный поток), заземление нейтрали системы источника напряжения (глухое заземление, заземление, изолированный) и режим питания (одна или две фазы под напряжением) — все это факторы, участвующие в установлении данного состояния. Изолированная первичная нейтраль более восприимчива к феррорезонансу.

Чтобы избежать таких рисков, рекомендуется использовать многополюсные распределительные устройства .

Вернуться к содержанию ↑


4. Трансформаторы напряжения и трансформаторы В / СН с изолированной нейтралью

Феррорезонанс может возникнуть, когда нейтрали ВН и СН изолированы, а ненагруженные ТН подключены на стороне СН между фазой и землей (см. Рис. 4a).

Когда замыкание на землю происходит на стороне ВН перед трансформатором подстанции, нейтраль ВН поднимается до высокого потенциала.Из-за емкостного эффекта между первичной и вторичной обмотками на стороне среднего напряжения возникают перенапряжения, которые могут вызвать феррорезонанс цепи, состоящей из источника напряжения E 0 , емкостей C e и C 0 и индуктивность намагничивания ТН (см. рис. 4b).

Ferroresonance of a VT between phase and earth with an isolated neutrals source transformer Ferroresonance of a VT between phase and earth with an isolated neutrals source transformer Рисунок 4 — Феррорезонанс ТН между фазой и землей с трансформатором-источником с изолированной нейтралью

Где:

  • E 0 — напряжение нулевой последовательности на стороне ВН
  • C e — емкость между обмоткой ВН и СН
  • C 0 — емкость нулевой последовательности энергосистемы СН

После того, как неисправность ВН устранена, напряжения нейтрали ВН из-за естественного дисбаланса системы может быть достаточно для поддержания этого явления. Феррорезонанс является фундаментальным.

Вернуться к содержанию ↑


5. Энергосистема заземлена через реактор

Две конфигурации на рисунке 5 чувствительны к феррорезонансу между индуктивностью, подключенной между нейтралью и землей, и емкостями относительно земли сети.

Что касается низковольтных энергосистем с изолированной нейтралью, стандарты рекомендуют (IEC 364) или предусматривают (NF C 15-100) внедрение прибора постоянного контроля изоляции (PIM) .

Permanent Insulation Monitor Permanent Insulation Monitor Устройство контроля постоянной изоляции Vigilohm, от Schneider Electric

Некоторые PIM измеряют импеданс изоляции энергосистемы путем подачи постоянного тока между системой и землей. Их импеданс в основном индуктивный (низкий импеданс для постоянного тока и высокий импеданс для промышленной частоты).

Они могут быть фактором феррорезонанса.

Ferroresonance in the case of a system earthed through a reactor Ferroresonance in the case of a system earthed through a reactor Рисунок 5 — Феррорезонанс в случае системы, заземленной через реактор

Перенапряжения могут привести к значительному повышению потенциала в нейтральной точке, чтобы вызвать феррорезонанс между индуктивностью PIM и емкостями относительно земли сети
(см. Рис.5а).

В МВ, чтобы ограничить токи замыкания на землю и способствовать самозатуханию короткого замыкания, катушка индуктивности L ( такая, что 3 × L × C 0 × ω 0 2 = 1, где C 0 — емкость нулевой последовательности энергосистемы среднего напряжения, а ω 0 — пульсация мощности ) подключена между нейтралью среднего напряжения трансформатора высокого / среднего напряжения и землей (катушка Петерсена).

Возбуждение и начало резонанса контура, состоящего из последовательного соединения индуктивности L и емкости 3 × C 0 , может произойти в следующих случаях:

  1. Высоковольтная нейтраль трансформатора ВН / СН заземлена, и короткое замыкание ВН проходит через заземляющий провод подстанции,
  2. Насыщение железного сердечника трансформатора В / СН,
  3. Расчетная диссимметрия трансформатора,
  4. Естественная асимметрия емкостей (C 1 , C 2 , C 3 на рисунке 5b) относительно земли.

Это может привести к насыщению стальной катушки , таким образом инициируя или поддерживая феррорезонанс.

Вернуться к содержанию ↑


6. Трансформатор, питаемый от энергосистемы высокой емкости с малой мощностью короткого замыкания

Феррорезонанс может возникать , когда ненагруженный силовой трансформатор внезапно подключается к источнику энергии с низким уровнем короткого замыкания по сравнению с номинальной мощностью трансформатора через подземный кабель или длинную воздушную линию.

Это имеет место, например, при возвращении к работе в городских или промышленных сетях среднего напряжения (подземный кабель), но также и в очень протяженных сельских общедоступных сетях среднего напряжения (см. Рисунок 6) или там, где все чаще используются подземные кабели (надежность и эстетика).

Equivalent diagram of unloaded power transformer supplied by a capacitive system Equivalent diagram of unloaded power transformer supplied by a capacitive system Рисунок 6 — Эквивалентная схема ненагруженного силового трансформатора, питаемого от емкостной системы

Этот параллельный феррорезонанс (емкость, соединенная параллельно на индуктивности намагничивания трансформатора) обычно является трехфазным, основной или квазипериодической составляющей.

Вкратце:

  1. Конфигурации, при которых может возникать феррорезонанс, бесконечны.
  2. Существует много различных типов феррорезонанса: однофазный, трехфазный, синфазный, дифференциальный.
  3. Опыт, однако, позволяет идентифицировать некоторые конфигурации, подверженные риску, которые требуют некоторого внимания. Эти:
    1. Трансформатор напряжения, подключенный между фазой и землей в изолированной нейтрали,
    2. Трансформатор с питанием по длинным и / или емкостным линиям,
    3. Предохранитель, срабатывание которого приводит к немногополюсному отключению,
    4. Ненагруженный или слабо нагруженный измерительный трансформатор мощности или напряжения.
  4. Явления, которые, скорее всего, вызывают феррорезонанс, следующие:
    1. Коммутация конденсаторных батарей и ненагруженных линий,
    2. Нарушения изоляции,
    3. Молния,
    4. Коммутационная работа ненагруженных трансформаторов.

Предотвращение или подавление феррорезонанса

Можно предпринять ряд практических мер для предотвращения феррорезонанса, формы волны перенапряжения, сверхтоков и искажений которого приводят к тепловым и диэлектрическим напряжениям , которые могут быть опасными для электрического оборудования (отказ, снижение производительности и срока службы изоляторов…).

Различные используемые методы основаны на следующих принципах:

  1. Избегайте, за счет правильного проектирования и / или операций переключения, конфигураций , чувствительных к феррорезонансу . Это может включать запрет на определенные конфигурации системы и / или определенные операции переключения энергосистемы и / или определенные коммутационные устройства.
  2. Убедитесь, что значения системных параметров не включены (даже временно) в зону риска и, если возможно, обеспечьте запас прочности по отношению к опасным зонам.
  3. Убедитесь, что энергии, поступающей от источника, недостаточно для поддержания явления. Этот метод обычно состоит из внесения потерь, которые ослабляют феррорезонанс, когда он возникает.

Публикация 71 МЭК утверждает, что временные феррорезонансные (и резонансные) перенапряжения «должны предотвращаться или ограничиваться» (одним из вышеуказанных способов). «Обычно они не должны рассматриваться как основа для определения номинального напряжения ОПН или конструкции изоляции, если только эти меры по исправлению положения не являются достаточными».

Это означает, что процедура согласования изоляции обычно не учитывает уровни перенапряжения, и, следовательно, ограничители перенапряжения (остаточное напряжение которых обычно выше, чем перенапряжения из-за феррорезонанса) теоретически не обеспечивают защиты от него.

Вернуться к содержанию ↑

Ссылка // Феррорезонанс Ф. Ферраччи; Schneider Electric

,
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *