Что такое электрический ток: определение, характеристики, виды

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

• к производственному цеху;
• квартире;
• на поле;
• в шахту, под воду и т. д.

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока  –  векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м

2. Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение:

P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

1. Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
2. квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
3. Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
4. Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов.  Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Рис. 5. Электроток в жидкостях

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

• все благородные металлы;
• медь;
• алюминий;
• олово;
• свинец.

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

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.

Интересные факты об электричестве | ИГЭУ

 

 

Интересные факты об электричестве

Электрические угри могут поразить электрическим током напряжением около 500 вольт для самообороны и во время охоты.

Крупнейший в мире источник энергии для электростанций — это уголь. Сжигание угля в топках котлов нагревает воду, а поднимающийся пар вращает турбины генераторов.

Молния — разряд электричества в атмосфере, достигающий десятков тысяч вольт.

Электричество играет важную роль в здоровье человека. Мышечные клетки сердца сокращаются и производят электроэнергию. Электрокардиограмма (ЭКГ) измеряет ритм сердца благодаря этим импульсам.

В далекие 1880-е была «война токов» между Томасом Эдисоном (который придумал постоянный ток) и Николой Теслой (который открыл переменный ток). Оба хотели, чтобы их системы широко использовались, но победил переменный ток за простоту получения, больший КПД и меньшую опасность.

Интересно, что американский президент Бенджамин Франклин провел обширные исследования электричества в 18 веке и изобрел громоотвод.

Древние греки считали, что больше всего янтаря находят на побережье Северного моря. Именно там Фаэтон был повержен молнией на землю. Вероятно, что они видели связь между молнией и свойствами янтаря.

Словарь Академии Российской 1794 года издания так описывал когда-то электричество: «Вообще это означает действие вещества весьма текучего и тонкого, свойствами своими весьма различного от всех жидких известных тел; имеющее способность сообщаться почти со всеми телами, но с иными более, с другими менее, движущееся с необъятной скоростью и производящее своим движением весьма странные явления».

В конце 30-х годов 18 века член Парижской Академии Шарль Ф. Дюфе писал: «Возможно, что в конце концов удастся найти средство для получения электричества в больших масштабах и, следовательно, усилить мощь электрического огня, который во многих из этих опытов представляется… как бы одной природы с молнией».

В старину место разряда молнии в землю указывало грабителям скифских курганов, что именно здесь зарыты сокровища. Понятно, что молнии бьют в курганы, содержащие металлическую «начинку».

Аналогично, что на Руси место, куда попала молния, считалось лучшим для рытья колодца. Вероятность близкой воды была очень высока!

Не зря знаменитого Луиджи Гальвани, вовсе даже не физика, прозвали когда-то волшебником. Он заставлял шевелиться трупы телят, кошек, мышей и лягушек! В его честь названы химические источники тока — гальванические элементы.

Изучение статического электричества начиналось с помощью простейшего прибора: металлический диск, стеклянная ручка, кошка, сургучная подушка, палец. Именно с таким набором «инструментов» работал знаменитый Алессандро Вольта.

Вероятно, одной из первых электрических цепей была живая электрическая цепь, составленная из 180 взявшихся за руки солдат Людовика XV, которые содрогались от проходившего через них разряда Лейденской банки во время опыта при дворе короля.

Многие единицы физических величин в электротехнике носят имена ученых. Но интересно, что лишь один из них, а это был Георг Ом, дважды удостоен такой чести. Всем знакома единица измерения сопротивления «Ом», но оказывается, что в некоторых странах физическую величину, обратную сопротивлению — электропроводность, измеряют в величинах, называющихся «мо».

Казус, но! В 1827 году немец по имени Георг Ом, снискавший позднее всемирную славу, не сдал экзамен и не был допущен к преподаванию физики в школе из-за крайне низкого уровня знаний и отсутствия педагогических способностей.

Интересно, что к широкому использованию переменного тока, полученного еще в 30-х годах 19 века, приступили лишь спустя 70 лет! Передачу переменного тока с помощью высоковольтных ЛЭП пытались даже запретить законом. Среди противников переменного тока был и Томас Эдисон!

Знаете ли вы, что в некоторых районах Южной Америки и Африки, где не было проведено электричество, можно было внутри жилища увидеть закрытые стеклянные банки, наполненные светляками! Такие «лампы» давали на зависть яркий свет!

Ученые считают, что мы все могли неоднократно наблюдать движение частиц со скоростью, вдвое меньшей скорости света, по каналу диаметром в 1,27 см. Это всякий раз происходит в молнии!

Тематическую подборку подготовила Л.А. Попова

6 опасностей электричества

В современном мире невозможно представить нашу жизнь без электроэнергии. Большинство устройств и приборов, окружающих нас, в той или иной мере зависят в своей работе от наличия электропитания, а без освещения наших квартир и домов уже невозможно даже представить современную жизнь. Однако, как и любая энергия, помимо созидания, электричество несет и определенные опасности, о которых будет идти речь в этой статье.

 

Итак, таких опасностями являются: короткое замыкание (или просто КЗ, как его часто называют), перегрузка электрической сети, перенапряжение, повышение напряжения в сети выше нормального уровня, поражение человека электрическим током, пожар. Расскажем о каждом явлении подробнее.

 

Короткое замыкание (КЗ) можно представить в виде ситуации, когда проводники провода или кабеля электрической сети замыкаются друг на друга. Такая авария сопровождается появлением токов, которые могут достигать сотен и даже тысяч ампер и является одним из самых разрушительных явлений. Основным последствием КЗ является нагрев всех элементов электрической сети, что может привести к выходу их из строя и даже разрушению, но все же главной опасностью является риск возникновения пожара. Именно поэтому в электрической сети важно иметь защитные устройства, которые не только вовремя обнаружат КЗ, но и гарантировано и максимально быстро отключат его до того, как последствия станут необратимыми.

 

Перегрузка электрической сети еще один из типов аварии в электрической сети, при котором ток в цепи превышает допустимый для элементов электрической сети. Это не менее опасное явление, т.к. не смотря на меньшие токи, является более длительным и может привести нагреву электрических конструкций и в конечном итоге, к пожару. К сожалению, перегрузка является одним из самых распространенных явлений и возникает она, как правило, по вине самих людей. Многим знакома ситуация, когда не хватает розеток в доме. Поступают в этом случае просто – применяют устройства типа удлинители с несколькими гнездами, но при этом не учитывается, что суммарный потребляемый ток на данном участке электрической цепи может превысить допустимый, скажем для розетки, к которой подключен удлинитель. Результат предсказуем – розетка начнет нагреваться и, если данный участок цепи не отключить, в итоге воспламениться, что может привести к пожару. Именно по этому, защита от перегрузки обязательно нужна в электрической сети.

 

В данный момент функции защиты от перегрузки и КЗ выполняют устройства, называемые автоматическими выключателями. Это компактные устройства, сочетающие защитные свойства с рядом дополнительных функций. Например, в автоматических выключателях серии Acti 9 от Schneider Electric, можно с помощью дополнительных контактов, контролировать состояние включено/выключено и своевременно обнаружить момент аварийного отключения. Это удобно, если речь идет о загородном доме. Хозяин бесспорно будет чувствовать себя гораздо спокойнее за сохранность своего имущества, имей он возможность удаленно контролировать ситуацию.

 

Однако, короткими замыканиями и перегрузками опасности электричества не ограничиваются. Еще более серьезной опасностью является поражение человека электрическим током. В этом случае речь идет уже о сохранении жизни и здоровья нашего и наших близких, особенно детей и вопрос этот требует самого пристального внимания.

 

Давайте разберемся, что может стать причиной поражения электрическим током. Возможны несколько вариантов: когда опасный потенциал попадает на корпус устройства в результате повреждения. Например, в изоляции провода внутри стиральной машины появилась трещина, и небольшой электрический ток «утекает» на металлический корпус, на котором из-за этого появляется опасное напряжение или когда человек по неосторожности касается частей под напряжением. Не стоит сбрасывать со счетов и тот случай, когда ребенок из любопытства засовывает в розетку посторонние предметы – такое тоже увы не редкость…

 

Что же происходит, когда человек попадает под действие электрического тока? Этот вопрос достаточно изучен и подробно изложен во многих источниках. Нужно сказать только одно – протекание тока через организм человека СМЕРТЕЛЬНО ОПАСНО и с большой долей вероятности может привести к летальному исходу. Поэтому, устройства, способные защитить от поражения электрическим током ОБЯЗАТЕЛЬНО должны быть установлены в каждом электрическом щите, особенно там, где присутствуют дети! И эти устройства называются Выключателями Дифференциального Тока (часто употребляемое название – устройство защитного отключения — УЗО).

 

Что же такое УЗО и как оно защищает нас? По сути это выключатель, который сравнивает ток на входе и на выходе одной электрической цепи. Если токи равны или разница минимальная, значит электрическая цепь и присоединенный к ней прибор исправны, если же разница превышает заданное значение, называемое уставкой срабатывания – УЗО отключается, обесточивая электрическую цепь. Величина уставки отключения для УЗО очень мала и составляет 10 или 30 мА (миллиАмпер и тысячных долей Ампера), данные токи являются безопасными для человека, и в сочетании с быстротой отключения УЗО обеспечивается гарантированная защита жизни и здоровья человека. Это объясняет требование обязательного применения УЗО для защиты розеток в т.ч. в жилых домах, электрических цепей во влажных помещениях (санузлы и ванные комнаты, сауны, бани и т.п.).

 

Но только защитой от поражения электрическим током роль УЗО не ограничивается, отдельно стоит отметить способность УЗО защищать от возникновения пожара. Дело в том, что появляющаяся «утечка» тока около 300 мА (миллиАмпер) способна вызвать нагрев и возгорание элементов строительных конструкций. В этом случае знакомый нам автоматический выключатель не отключится, т.к. ток все-таки мал, а вот УЗО как раз способно обнаружить и защитить от такой опасности. УЗО с уставкой срабатывания 100 и 300 мА (их называют иногда противопожарными) устанавливаются в начале электрической цепи и дополняют защиту от токов КЗ и перегрузки, а также защиту от поражения током. Такие устройства не используются для защиты от поражения током!

 

Итак, мы обеспечили защиту людей от опасностей, которые таит в себе электрическая энергия, но как быть с окружающей нас техникой? Ведь каждый владелец хотел бы, что бы любимый ноутбук или телевизор работали безотказно долгие годы. Давайте рассмотрим, какие же риски существуют для бытовой техники.

 

Одной из частых причин выхода бытовых электрических устройств из строя является повышение напряжения выше допустимых значений. Статистика неумолима – сообщения о сгоревших холодильниках, телевизорах и другой технике появляются периодически и причина, как правило, колебания напряжения. В чем же причина таких явлений? Для понимания причин повышения напряжения, стоит сказать несколько слов о том, какие же напряжения действуют в 3-х фазной электрической сети.

 

Итак, в 3-х фазной сети действуют 2 вида напряжения: линейное – напряжение между двумя фазами и фазное, это напряжение между фазой и рабочим нулевым проводником, (его еще часто называют «нулем» или «нейтралью»). Соответственно, линейное напряжение равно 380 В, фазное — 220 В. В бытовой электросети мы используем фазное напряжение, но при обрыве нулевого проводника (так называемом «обрыве нуля») это напряжение может достигать 1,73* фазного напряжения, или 380 В. Таким образом, подключенные к сети устройства в этом момент окажутся под напряжением, на которые не расчитаны и будут выведены из строя или, что еще хуже, загорятся и могут вызвать пожар.

 

Защитить оборудование в доме от подобной опасности может устройство, называемое реле напряжения. Это компактный защитный элемент сети, который устанавливается в электрическом щитке и контролирует напряжение в сети. Как только напряжение превышает заданный порог, устройство отключает участок сети, но само при этом остается включенным. После того, как напряжение вновь станет нормальным, реле напряжения снова включит питание. Таким образом реле напряжения позволяет защитить от повреждения подключенное оборудование.

 

Еще одним опасным для бытового оборудования фактором являются так называемые перенапряжения, причиной которых являются грозовые разряды и внутренние процессы электрических сетей. Обычно этот вид опасности незаслуженно забывают при установке защитного оборудования в электрическом щите, а между тем, перенапряжения, вызванные грозовыми разрядами часто являются причиной не только сбоев в работе электрического и, особенно, электронного оборудования, но и выводят это оборудование из строя, что требует от владельцев дорогостоящего ремонта. Какова же причина подобных явлений? Ответ лежит в школьном курсе физики. Представим здание, электроснабжение которого осуществляется по воздушной линии электропередач (ВЛ). Во время грозы разряд молнии распространяет вокруг себя электромагнитные колебания, которые наводят в проводниках ВЛ напряжение. Далее по проводам   наведенное напряжение попадает в сеть нашего дома и воздействует на подключенное к сети оборудование. Учитывая, что напряжение разряда молнии может достигать миллиона вольт, в сети наводится напряжение, порой достигающее нескольких тысяч вольт и имеющее длительность тысячные доли секунды. Конечно же, оборудование, особенно имеющее в своем составе электронные блоки, не в состоянии без последствий выдержать такие перенапряжения. В лучшем случае это вызовет сбой в работе, но чаще всего при таких воздействиях речь идет о выходе оборудования из строя. Однако и от таких опасностей можно защититься с помощью Устройств Защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) или как их еще называют ограничителей перенапряжений (ОПН). Установленные в электрическом щите, они способны ограничить импульс перенапряжения до безопасных значений, тем самым защитив оборудование, подключенное к сети. Современные УЗИП способны защитить электрическую сеть дома даже если разряд молнии ударит прямо в провод линии электропередач. Такие устройства есть в линейке УЗИП Acti 9, производимых Schneider Electric.

 

Итак, мы рассмотрели все виды опасностей, которые могут подстерегать нас при пользовании электрической энергией. Однако, если правильно выбрать и установить защитные устройства, то можно защитить наш дом и нас самих и сделать его безопасным и комфортным.

Что такое электрический ток и напряжение — простое объяснение для обывателя

Мы с самого детства начинаем знакомство с электричеством, когда взрослые запрещают нам вставлять в розетку пальцы и различные предметы. Потом мы взрослеем, приобщаемся к современному миру научно-технического прогресса, в котором абсолютное большинство устройств для своей работы используют электрическую энергию. Школьный курс физики, который предполагает изучение электричества, для многих оказывается бесполезным. Лишь единицы представляют себе что же такое электрический ток, а для остальных это скорее обобщающее нарицательное, током называют все подряд. Все также знают, что включённый телевизор или оставленный на ночь свет приведёт к повышению платы за электроэнергию, за этим строго следит счётчик, который установлен на самой границе электрической сети. Не буду уходить в повествовательные дебри, думаю вы поняли, что данный материал для обывателей, чтобы они имели хотя бы образное представление о токе и напряжении, что живет в розетках.

Итак, электрический ток обозначается буквой I и измеряется в Амперах, а напряжение обозначается буквой U и измеряется в Вольтах. Эти понятия хоть и относятся к одной стихии, все же являются совершенно разными, и путать их, все равно как назвать самовар валенком, только потому, что так было модно в старину ставить валенки на самовар. Для понимания электрических процессов давайте подключим образное мышление. У меня есть хорошая аналогия, уже обкатанная на большой аудитории, и получившая положительный отклик.

Представьте длинное одноэтажное здание, которое растянулось на сто метров. В здании царит разруха, раскиданы камни, строительный мусор, оторвавшийся от стен. С одной стороны и другой стороны нет стен и оно как провод по всех длине может продуваться. Есть большой вентилятор, который установлен в одном конце здания очень плотно, он может продуть все здание воздухом целиком. Так вот это здание — аналог обычного провода. Камни и строительный мусор — это заряженные частицы: протоны и электроны. Пока в проводе не действует напряжение все частицы находятся в покое.

Теперь вентилятор запускается и через все здание начинает дуть ветер. Так вот ветер — это напряжение, которое есть в розетке, аналогом которой является вентилятор. Напряжение — это невидимое поле, которое само по себе не выполняет полезной работы, но способствует чтобы ее выполнял электрический ток. Так давайте уже запустим наш виртуальный вентилятор на малую мощность. Ветер дует, но камни никуда не движутся. Усилим вращение, ветер дует все сильней и наше мысленное напряжение приводит в движение камни и мусор, все они разлетаются по зданию и движутся в направлении другого конца здания. Летящий камень — это аналог электрического тока. Заряженные частицы движутся от большего потенциала к меньшему, то есть от конца здания где стоит вентилятор и давление воздуха выше, к противоположной стороне с пониженным давлением. Если на пути летящего камня мы поставим преграду, то все будет зависеть от его скорости, то есть от силы тока. Чем быстрей летит мусор и камни, тем легче они преодолеют любую преграду. Преграда в данном случае аналог электрической нагрузки.

Но в нашем представлении скоро ток прекратит свое существование, ведь в конце концов вентилятор сдует все камни и мусор из нашего здания. Не будет заряженных частиц, не будет и тока, каким бы высоким не было напряжение. Но есть один вариант, а что если мы наше длинное здание расположим по кругу. Да так, чтобы один конец здания был на выходе вентилятора, а другой на входе. Теперь получается, что вентилятор будет гонять камни и мусор по кругу и ток не прекратится никогда.

Итак, ток — это именно движение заряженных частиц, и за счет энергии движения они способны совершить полезную работу. Если частица движется медленно, то и работа будет соответствующей. Стиральная машинка от такого потока работать не будет, только маленькая лампочка загорится. А напряжение — это величина, характеризующая разность напряженности электрического поля в начале проводника и на его конце (в нашем примере это разница давления воздуха на выходе вентилятора и на его входе).

Наш пример рассматривает схему постоянного тока, и в нем есть что добавить и подкорректировать. Я постараюсь написать много материалов для популяризации физики и электротехники. Ну и напоследок один интересный факт — все думают что электроны, как основные заряженные частицы вещества, движутся от плюса к минусу, но на самом деле их заряд отрицателен, а значит они движутся от минуса к плюсу.

Урок 1. Электричество: куда бегут электроны

– В Европе теперь никто на пианино не играет,
играют на электричестве.
–На электричестве играть нельзя – током убьет.
–А они в резиновых перчатках играют…
–Э! В резиновых перчатках можно!
«Мимино»

Странно… Играют на электричестве, а убивает почему-то каким-то там током… Откуда в электричестве ток? И что это за ток? Здравствуйте, уважаемые! Давайте разбираться.

Ну, во-первых, начнём с того, почему это играть на электричестве в резиновых перчатках всё-таки можно, а, например, в железных или свинцовых – нельзя, хотя металлические прочнее? Дело все в том, что резина не проводит электричество, а железо и свинец – проводят, поэтому и током ударит. Стоп-стоп… Мы идем не в ту сторону, давайте, разворачиваемся… Ага… Начинать нужно с того, что все в нашей Вселенной состоит из мельчайших частичек – атомов. Эти частички настолько малы, что, например, человеческий волос по толщине в несколько миллионов раз превосходит размер самого маленького атома водорода. Атом состоит (см. рисунок 1.1) из двух основных частей – положительно заряженного ядра, состоящего в свою очередь из нейтронов и протонов и вращающихся по определенным орбитам вокруг ядра электронов.

Рисунок 1.1 – Строение электрона

Суммарный электрический заряд атома всегда (!) равен нулю, то есть атом электрически нейтрален. Электроны имеют довольно сильную связь с атомным ядром, однако, если приложить некоторую силу и «вырвать» один или несколько электронов из атома (посредством нагревания или трения, например), то атом превратиться в положительно заряженный ион, поскольку величина положительного заряда его ядра будет больше величины отрицательного суммарного заряда оставшихся электронов. И наоборот, – если каким-либо образом добавить к атому один или несколько электронов (но не посредством охлаждения…), то атом превратится в отрицательно заряженный ион.

Электроны, входящие в состав атомов любого элемента,абсолютно идентичны по своим характеристикам: заряду, размеру, массе.

Теперь, если посмотреть на внутренний состав любого элемента можно увидеть, что не весь объем элемента занимают атомы. Всегда, в любом материале так же присутствуют как отрицательно заряженные, так и положительно заряженные ионы, причем процесс преобразования «отрицательно заряженный ион–атом–положительно заряженный ион» происходит постоянно. В процессе этого преобразования образуются так называемые свободные электроны – электроны, не связанные ни с одним из атомов или ионом. Оказывается, что различных веществ количество этих свободных электронов разное.

Так же из курса физики известно, что вокруг любого заряженного тела (даже такого ничтожно малого, как электрон) существует так называемое невидимое электрическое поле, основными характеристиками которого являются напряженность и направление. Условно принято, что поле всегда направлено из точки положительного заряда к точке отрицательного заряда. Такое поле возникает, например, при натирании эбонитовой или стеклянной палочки о шерсть, при этом в процессе можно услышать характерный треск, явление которого мы рассмотрим позже. Причем, на стеклянной палочке будет образовываться положительный заряд, а на эбонитовой – отрицательный. Это как раз и будет означать переход свободных электронов одного вещества в другое (со стеклянной палочки в шерсть и из шерсти в эбонитовую палочку). Переход электронов означает изменение заряда. Для оценки этого явления существует специальная физическая величина – количество электричества, названная кулон, причем 1Кл= 6.24•10¹⁸ электронов. Исходя из этого соотношения заряд одного электрона (или его по-другому называют элементарным электрическим зарядом) равен:

Так при чем же здесь все эти электроны и атомы… А вот при чём. Если взять материал с большим содержанием свободных электронов и поместить его в электрическое поле, то все свободные электроны будут двигаться в направлении положительной точки поля, а ионы – поскольку они имеют сильные межатомные (межионные) связи –оставаться внутри материала, хотя по идее они должны двигаться к той точке поля, заряд которой противоположен заряду иона. Это было доказано с помощью простого эксперимента.

Два различных материала (серебро и золото) соединили друг с другом и поместили в электрическое поле на несколько месяцев. Если бы наблюдалось движение ионов между материалами, то в месте контакта должен был бы произойти процесс диффузии и в узкой зоне серебра образоваться золото, а в узкой зоне золота – серебро, но такого не произошло, что и доказало неподвижность «тяжелых» ионов. На рисунке 2.1 показано движение положительной и отрицательной частиц в электрическом поле: отрицательно заряженные электроны движутся против направления поля, а положительно заряженные частицы – по направлению поля. Однако это справедливо только для частиц, не входящих в кристаллическую решетку какого-либо материала и не связанных между собой межатомными связями.

Рисунок 1.2 – Движение точечного заряда в электрическом поле

Движение происходит именно таким образом, потому как одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются: на частицу всегда действуют две силы: сила притяжения и сила отталкивания.

Так вот, именно упорядоченное движение заряженных частиц и называют электрическим током. Существует забавный факт: изначально считалось (до открытия электрона), что электрический ток порождён именно положительными частицами, поэтому направление тока соответствовало движению положительных частиц от «плюса» к «минусу», однако впоследствии обнаружилось обратное, но направление тока решено было оставить прежним, и в современной электротехнике осталась эта традиция. Так что всё на самом деле наоборот!

Рисунок 1.3 – Строение атома

Электрическое поле можно, хоть и характеризуется величиной напряженности, но создается вокруг любого заряженного тела. Например, если всё ту же стеклянную и эбонитовую палочки натереть о шерсть, то вокруг них возникнет электрическое поле. Электрическое поле существует около любого объекта и воздействует на другие объекты, сколь угодно далеко они бы ни располагались.Однако с ростом расстояния между ними напряженность поля уменьшается и её величиной можно пренебречь, так что два человека, стоящие рядом и имеющие некоторый заряд, хоть и создают электрическое поле, и между ними протекает электрический ток, но он настолько мал, что его величину трудно зафиксировать даже специальными приборами.

Так вот, пора бы уже побольше рассказать о том, что это за характеристика – напряженность электрического поля. Начинается всё с того, что в 1785 году французский военный инженер Шарль Огюстен де Кулон, отвлекшись от рисования военных карт, вывел закон, описывающий взаимодействие двух точечных зарядов:

Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Мы не будем углубляться в то, почему это именно так, просто поверим на слово господину Кулону и введём некоторые условия для соблюдения этого закона:

• точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными не пересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
• их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;
• взаимодействие в вакууме.

Математически закон записывается следующим образом:

где q₁,q₂ – величины взаимодействующих точечных зарядов,
r – расстояние между этими зарядами,
k – некоторый коэффициент, описывающий влияние среды.
На рисунке ниже приведено графическое пояснение закона Кулона.

Рисунок 1.4 – Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона

Таким образом, сила взаимодействия между двумя точечными зарядами возрастает при увеличении этих зарядов и уменьшается при увеличении расстояния между зарядами, причём увеличение расстояния в два раза приводит к уменьшению силы в четыре раза. Однако подобная сила возникает не только между двумя зарядами, но и между зарядом и полем (и опять электрический ток!). Логично было бы предположить, что на различные заряды одно и то же поле оказывает различное влияние. Так вот отношение силы взаимодействия поля и заряда к величине этого заряда и называется напряжённостью электрического поля. При условии, что заряд и поле неподвижны и не изменяют своих характеристик с течением времени.

где F – сила взаимодействия,
q – заряд.
Причём, как говорилось ранее, поле имеет направление, и это возникает именно исходя из того, что сила взаимодействия имеет направление (является векторной величиной: одноимённые заряды притягиваются, разноимённые – отталкиваются).
После того, как я написал этот урок, я попросил моего друга прочитать его, оценить, так скажем. Кроме того, я задал ему один интересный на мой взгляд вопрос как раз по теме этого материала. Каково же было моё удивление, когда он ответил неверно. Попробуйте и Вы ответить на этот вопрос (он помещен в раздел задач в конце урока) и аргументировать свою точку зрения в комментариях.
И последнее: поскольку поле может переместить заряд из одной точки пространства в другую, оно обладает энергией, а, следовательно, может совершать работу. Этот факт пригодится нам в дальнейшем при рассмотрении вопросов работы электрического тока.
На этом первый урок окончен, но у нас так и остался без ответа вопрос, почему же, в резиновых перчатках током не убьет. Оставим его как интригу на следующий урок. Спасибо за внимание, до новых встреч!

• Наличие свободных электронов в веществе является условием для возникновения электрического тока.
• Для возникновения электрического тока необходимо электрическое поле, которое существует только вокруг тел, обладающих зарядом.
• Направление протекания электрического тока обратно направлению движения свободных электронов – ток течёт от «плюса» к «минусу», а электроны наоборот – от «минуса» к «плюсу».
• Заряд электрона равен 1.602•10^-19 Кл
• Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Задачка:

• Предположим, что в городе-герое Москве имеется некая розетка, самая такая обычная розетка, которые есть и у Вас дома. Так же предположим, что мы протянули провода из Москвы во Владивосток и подключили во Владивостоке лампочку (опять же, лампа совершенно обычная, такая же освещает сейчас комнату и мне, и Вам). Итого, что мы имеем: лампочка, присоединенная к концам двух проводов во Владивостоке и розетку в Москве. Теперь вставим «московские» провода в розетку. Если мы не будем учитывать массу всяких условий и просто предположим, что лампочка во Владивостоке загорелась, то попробуйте предположить, доберутся ли электроны, которые в данный момент находятся в розетке в Москве в нить накала лампочки во Владивостоке? Что случится, если мы подключим лампочку не к розетке, а к аккумулятору?

← Введение | Содержание | Урок 2: Как пересчитать электроны →

Откуда берется электричество? | ТГК-1

Наверное, каждому пользователю в душе интересно, откуда берутся эти самые электроны в электрической лампочке. Все знают — вырабатываются на ГЭС, ТЭЦ, с атомных станций. Меньше людей слышали о солнечных, ветряных, геотермальных, приливных станциях, ещё меньше — о ГРЭС (государственные районные электрические станции), и ГАЭС. И уж совсем мало кто знает, как это оказывается сложно — управлять электричеством.

В чём сложность? И вот тут в двух словах не объяснить — приходится лезть в дебри энергетики. А знать стоит, потому что именно из этих знаний складывается самая волнующая нас интрига — цена за киловатт.

Первая хитрость — электричество нельзя запасти «на завтра», и приходится ориентироваться на текущую выработку, а потери при транспортировке высоки — поэтому энергетики вынуждены приспосабливаться буквально на каждом шагу: использовать низкий ток, менять сечения проводов, использовать повышающие и понижающие трансформаторы, дозировать электроэнергию дополнительными станциями.

Мало того, трудности возникают и в частном порядке — есть пики и провалы в энергопотреблении, а тяжесть проводов может не выдержать погодных условий — например, снегопада. Вот почему земля буквально опутана проводами разных сортов — электричество нужно всем и каждому, желательно — бесплатно, а подать его в нужной мощности и за деньги не легко.

Вот пример. Генератор может выдавать только столько мощности, сколько может потребить потребитель. Если даже генератор имеет установленную мощность на 100 МВт, то он не сможет ее набрать, если нет соотвестствующей нагрузки. Как частный случай – выдаст, но с отклонением от принятой частоты в 50Гц, что сделает невозможным использовать такую электроэнергию, а это — невосполнимые затраты.

Всё начинается именно с генератора — это чудесное устройство невообразимым, но легко объяснимым физикой способом вырабатывает с помощью силы воды поток электронов, которые начинают своё экстравагантное путешествие по проводам — к чайнику.

ГЭС преобразует механическую энергию воды в электрическую — в этом она, кстати, самая экологичная. Вода «давит» на лопасти рабочего колеса, которое на одном валу с генератором. Чем больше напор – тем больше давление. Генератор представляет из себя ротор и статор. Статор – неподвижная часть с обмоткой. Ротор вращается в электрическом поле статора, возникает Электродвижущая сила (ЭДС). С выводных устройств идет съем электроэнергии — это описание принципа работы любого генератора.

Но вот в чём чудо — в этом «пахтании океана» появляются электроны, и они не одиноки. Есть ещё электрически заряженные частицы, квази частицы. Электроны в проводах можно сравнить с рыбами в воде: проводники для них — среда обитания. В диэлектриках жизни нет)

Трансформаторами мощность и понижают, и повышают, и что там происходит с частицами — можно представить. И через поля проходят — правда, магнитные; притягиваются и отталкиваются, исчезают — и возникают! В путешествиях по подстанциям могут менять и вид энергии, и форму. Двигаются с небольшой скоростью, но по отношению с неподвижными собратьями находятся на границе, которая уже имеет скорость света… У электронов море приключений прежде, чем они постучатся в ваш дом.

Поздороваться с электронами нельзя, как и поговорить. По сути они — просто другая форма жизни, которую нам по счастливой случайности или глубокой закономерности удалось приручить — как оленей, кошек, окучить картошку. С этой точки зрения наше существование на планете явление столь же необычное и интересное, как и бег электронов.

Но вернёмся на Землю. Для нас важно – уровень напряжения, частота электрического тока в сети. Суточная неравномерность потребления регулируется автоматикой: у системного оператора стоит основной управляющий блок станциями, которые в этой системе состоят. Генераторы например работают в системе ГРАМ – «групповое регулирование активной мощности». Система распределяет нагрузку оптимально для каждого генератора. Естественно, стараются применять типовые генераторы. Тогда случае изменения нагрузки потребителем система ГРАМ загружает или разгружает генераторы за секунды.

Есть еще система АРЧМ – «автоматическое регулирование частоты и мощности». Это специальная программа, которая воздействует на управление регуляторами скоростей. Ее задача – держать заданные показатели в норме. Допустим, задано держать переток из Кольской энергосистемы в Карельскую мощность в 500 МВт. И вдруг «отваливается» какой-то крупный потребитель на 50 МВт. Значит, система АРЧМ должна воздействовать на некоторые управляющие элементы и где-то в энергосистеме снизить  их мощность.

Система действует в течении секунд. В пределах 10 секунд обычно устраняется возмущение. При очень крупных дисбалансах установка равновесия может занимать 1-2 минуты.

То есть ГРАМ управляет в масштабе одной станции, а АРЧМ управляет станциями. К сожалению, и это не всегда эффективно. Допустим, маленькая станция, 6 МВт. А потребитель в нашем примере «отвалился» на 50 МВт. Что там регулировать?

Потому АРЧМ стараются ставить на больших станциях, например, на Верхнетуломской ГЭС, на Серебрянских, на Териберке. На Княжегубской ГЭС. Каждая система управления это немалые расходы на монтаж и содержание, хоть процессы и автоматизированы. И всё это — только начальные дебри! 

Текущее электричество — Science World

Цели

• Опишите компоненты, необходимые для замыкания электрической цепи.

• Продемонстрируйте различные способы завершения цепи (параллельной или последовательной).

• Определите, как электричество используется в бытовых приборах.

• Опишите связь между электроном и текущим электричеством.

Материалы

Фон

Электроэнергия используется для работы вашего мобильного телефона, силовых поездов и кораблей, для работы холодильника и двигателей в таких машинах, как кухонные комбайны. Электрическая энергия должна быть заменена на другие формы энергии, такие как тепловая, световая или механическая, чтобы быть полезной.

Все, что мы видим, состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Атомы состоят из еще более мелких частей, называемых протонами, электронами и нейтронами. Атом обычно имеет одинаковое количество протонов (которые имеют положительный заряд) и электронов (которые имеют отрицательный заряд). Иногда электроны можно отодвинуть от своих атомов.

Электрический ток — это движение электронов по проводу. Электрический ток измеряется в амперах и (амперах) и относится к количеству зарядов, которые перемещаются по проводу за секунду.

Для протекания тока цепь должна быть замкнута; Другими словами, должен быть непрерывный путь от источника питания через цепь, а затем обратно к источнику питания.

Параллельная цепь (вверху)

Цепь серии (внизу)

Напряжение иногда называют электрическим потенциалом и измеряется в вольт . Напряжение между двумя точками в цепи — это полная энергия, необходимая для перемещения небольшого электрического заряда из одной точки в другую, деленная на размер заряда.

Сопротивление измеряется в Ом и относится к силам, которые препятствуют протеканию электронного тока в проводе. Мы можем использовать сопротивление в своих интересах, преобразовывая электрическую энергию, потерянную в резисторе, в тепловую энергию (например, в электрической плите), световую энергию (лампочка), звуковую энергию (радио), механическую энергию (электрический вентилятор) или магнитную энергию. энергия (электромагнит). Если мы хотим, чтобы ток протекал напрямую из одной точки в другую, мы должны использовать провод с минимально возможным сопротивлением.

Аккуратная аналогия, помогающая понять эти тер мс: система водопроводных труб.

• Напряжение эквивалентно давлению воды, которая выталкивает воду в трубу
• Ток эквивалентен расходу воды
• Сопротивление похоже на ширину трубы — чем тоньше труба, тем выше сопротивление и тем труднее протекает вода.

В этой серии заданий учащиеся будут экспериментировать с проводами, батареями и переключателями, чтобы создать свои собственные электрические цепи, одновременно изучая напряжение, ток и сопротивление.

Забавный факт!

Вы можете заметить, что символы для некоторых единиц СИ (Международной системы единиц) в этом плане урока написаны с заглавной буквы, например, вольт (В) и ампер (А), в отличие от тех, к которым вы привыкли. используя (м, кг). При названии единицы в честь человека принято использовать заглавную букву. В этих случаях подразделения были названы в честь Алессандро Вольта и Андре-Мари Ампера. Единица измерения сопротивления также была названа в честь человека (Георг Симон Ома), но использует символ Ω, который представляет греческую букву омега.Эти правила важно соблюдать, поскольку строчные и прописные буквы могут означать разные единицы измерения, такие как тонна (т) и тесла (Т). Единственным исключением является то, что для литров допустимо использовать L, поскольку букву «l» часто путают с цифрой «1»!

Словарь

амперметр : прибор для измерения электрического тока в цепи; единица измерения — амперы или амперы (А).
схема : Путь для прохождения электрического тока.
проводник : Вещество, состоящее из атомов, которые свободно удерживают электроны, что позволяет им легче перемещаться через него.
электрический ток : непрерывный поток электрического заряда, перемещающийся из одного места в другое по пути; требуется для работы всех электрических устройств; измеряется в амперах или амперах (A).
электрохимическая реакция : Реакция, которая чаще всего включает перенос электронов между двумя веществами, вызванный или сопровождаемый электрическим током.
электрод : проводник, по которому ток входит или выходит из объекта или вещества.
электрон : субатомная частица с отрицательным электрическим зарядом.
изолятор : Вещество, состоящее из атомов, которые очень прочно удерживают электроны, что не позволяет электронам легко проходить сквозь них.
параллельная цепь : Тип схемы, которая позволяет току течь по параллельным путям. Электрический ток распределяется между разными путями.Если лампочки подключены в параллельную цепь, и одна из лампочек удалена, ток все равно будет течь, чтобы зажечь другие лампочки в цепи.
полупроводник : Вещество, состоящее из атомов, которые удерживают электроны с силой между проводником и изолятором.
Последовательная цепь : Схема, в которой все компоненты соединены по единому пути, так что один и тот же ток течет через все компоненты. Если вынуть одну из лампочек, цепь разорвется, и ни одна из других лампочек не будет работать.
напряжение : Разность потенциалов между двумя точками в цепи, например положительным и отрицательным полюсами батареи. Его часто называют «толчком» или «силой» электричества. Возможно иметь напряжение без тока (например, если цепь неполная и электроны не могут течь), но невозможно иметь ток без напряжения. Он измеряется в вольтах (В).
вольтметр : прибор, используемый для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи.

Прочие ресурсы

г. до н.э. Hydro | Power Smart для школ

г. до н.э. Hydro | Изучение простых схем

г. до н.э. Hydro | Изучение последовательных и параллельных цепей

г. до н.э. Hydro | Электробезопасность

Как работает материал | Как работают светодиоды

Для покупки елочных мини-лампочек: Home Depot, Canadian Tire

Для приобретения небольших учебных лампочек (номиналом не более 2 вольт каждая): Boreal Science

Что такое электрический ток? | Живая наука

Электрический ток — это движущийся электрический заряд.Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как молния или искра между вашим пальцем и пластиной выключателя заземления. Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества, вырабатываемую генераторами, батареями, солнечными элементами или топливными элементами.

Большая часть электрического заряда переносится электронами и протонами внутри атома. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Однако протоны в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому перенос заряда из одного места в другое выполняют электроны.Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени могут свободно перемещаться от одного атома к другому по своим зонам проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. По словам Серифа Урана, профессора физики в Питтсбургском государственном университете, достаточная электродвижущая сила (ЭДС) или напряжение создает дисбаланс заряда, который может заставить электроны перемещаться по проводнику в виде электрического тока.

Хотя сравнивать электрический ток с потоком воды в трубе несколько рискованно, есть некоторые сходства, которые могут облегчить понимание.По словам Майкла Дабсона, профессора физики в Университете Колорадо Болдера, мы можем представить поток электронов в проводе как поток воды в трубе. Предостережение: в этом случае труба всегда заполнена водой. Если мы откроем клапан на одном конце, чтобы вода попала в трубу, нам не нужно ждать, пока вода дойдет до конца трубы. Мы получаем воду из другого конца почти мгновенно, потому что поступающая вода выталкивает воду, которая уже находится в трубе, к концу.Вот что происходит в случае электрического тока в проводе. Электроны проводимости уже присутствуют в проводе; нам просто нужно начать толкать электроны на одном конце, и они почти сразу же начнут течь на другом конце.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Государственного университета Джорджии, фактическая скорость электрона в проводе составляет порядка нескольких миллионов метров в секунду, но он не движется прямо по проводу. Он подскакивает почти наугад и движется только со скоростью несколько миллиметров в секунду.Это называется дрейфовой скоростью электрона. Однако скорость передачи сигнала, когда электроны начинают выталкивать другой конец провода после того, как мы щелкаем выключателем, почти равна скорости света, которая составляет около 300 миллионов метров в секунду (186 000 миль в секунду). В случае переменного тока, когда ток меняет направление 50 или 60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не выходит из провода.

Несбалансированность начислений может быть создана несколькими способами.Первым известным способом было создание статического заряда путем трения друг о друга двух разных материалов, например, протирания кусочка янтаря мехом животных. Затем можно создать ток, прикоснувшись янтарем к телу с меньшим зарядом или к земле. Однако этот ток имел очень высокое напряжение, очень низкую силу тока и длился всего долю секунды, поэтому его нельзя было заставить выполнять какую-либо полезную работу.

Постоянный ток

Следующим известным способом создания дисбаланса зарядов была электрохимическая батарея, изобретенная в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта, в честь которого названа единица электродвижущей силы — вольт (В).Его «гальваническая куча» состояла из стопки чередующихся цинковых и медных пластин, разделенных слоями ткани, пропитанной соленой водой, и создавал устойчивый источник постоянного тока (DC). Он и другие улучшили и усовершенствовали свое изобретение в течение следующих нескольких десятилетий. По данным Национального музея американской истории, «батареи привлекли внимание многих ученых и изобретателей, и к 1840-м годам они обеспечивали током новые электрические устройства, такие как электромагниты Джозефа Генри и телеграф Сэмюэля Морса.»

Другие источники постоянного тока включают топливные элементы, которые объединяют кислород и водород в воду и вырабатывают электрическую энергию в процессе. Кислород и водород могут поставляться в виде чистых газов или из воздуха и химического топлива, такого как спирт. Другой источник постоянного тока ток — это фотоэлектрический или солнечный элемент. В этих устройствах фотонная энергия солнечного света поглощается электронами и преобразуется в электрическую. Энергосистема.Переменный ток вырабатывается электрическими генераторами, которые работают по закону индукции Фарадея, с помощью которого изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике. В генераторах есть вращающиеся катушки из проволоки, которые проходят через магнитные поля при вращении. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и производят электрический ток, который меняет направление на противоположное каждые пол-оборота. Ток проходит полный прямой и обратный цикл 60 раз в секунду, или 60 герц (Гц) (50 Гц в некоторых странах).Генераторы могут работать от паровых турбин, работающих на угле, природном газе, масле или ядерном реакторе. Они также могут приводиться в действие ветряными турбинами или водяными турбинами на плотинах гидроэлектростанций.

От генератора ток проходит через серию трансформаторов, где он повышается до гораздо более высокого напряжения для передачи. Причина этого в том, что диаметр проводов определяет величину тока или силы тока, которую они могут проводить без перегрева и потери энергии, но напряжение ограничивается только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.Интересно отметить, что ток передается только по одному проводу, а не по двум. Две стороны постоянного тока обозначены как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока меняется 60 раз в секунду, две стороны переменного тока обозначаются как горячая и заземленная. В линиях электропередачи на большие расстояния провода проходят через горячую сторону, а земля проходит через землю, замыкая цепь.

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на силу тока, вы можете послать больше мощности по линии при той же силе тока, используя более высокое напряжение.Затем высокое напряжение понижается по мере того, как оно распределяется по сети подстанций, пока не достигает трансформатора рядом с вашим домом, где оно наконец понижается до 110 В. (В Соединенных Штатах настенные розетки и лампы работают от 110 В. при 60 Гц. В Европе почти все работает от 230 В при 50 Гц.)

Как только ток достигает конца линии, большая часть его используется одним из двух способов: либо для обеспечения тепла и света через электрическое сопротивление. , или механическое движение за счет электрической индукции.Есть еще несколько приложений — на ум приходят люминесцентные лампы и микроволновые печи — которые работают на разных принципах, но львиная доля энергии идет на устройства, основанные на сопротивлении и / или индуктивности. Фен, например, использует и то, и другое одновременно.

Это подводит нас к важной особенности электрического тока: он может выполнять работу. Он может освещать ваш дом, стирать и сушить одежду и даже поднимать гаражные ворота одним щелчком выключателя. Однако все более важной становится способность электрического тока передавать информацию, особенно в виде двоичных данных.Хотя для подключения к Интернету вашего компьютера требуется лишь небольшая часть электрического тока, скажем, электрического обогревателя, он становится все более и более важным для современной жизни.

Дополнительные ресурсы

Что такое электрический ток »Электроника Примечания

Электрический ток возникает при движении электрических зарядов — это могут быть отрицательно заряженные электроны или положительные носители заряда — положительные ионы.

---

Учебное пособие по электрическому току Включает:
Что такое электрический ток Текущая единица — Ампер ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

---

Электрический ток — одно из самых основных понятий, существующих в области электротехники и электроники. Электрический ток лежит в основе науки об электричестве.

Будь то электрический нагреватель, большая электросеть, мобильный телефон, компьютер, удаленный сенсорный узел или что-то еще, понятие электрического тока является центральным для его работы.

Однако ток как таковой обычно нельзя увидеть, хотя его эффекты можно увидеть, услышать и почувствовать все время, и в результате иногда трудно получить представление о том, что это такое на самом деле.

Удар молнии — впечатляющее зрелище электрического тока.
Фотография сделана с вершины башен Петронас в Куала-Лумпуре Малайзия

Определение электрического тока

Определение электрического тока:

Электрический ток — это поток электрического заряда в цепи.Более конкретно, электрический ток — это скорость прохождения заряда через заданную точку в электрической цепи. Зарядом могут быть отрицательно заряженные электроны или положительные носители заряда, включая протоны, положительные ионы или дырки.

Величина электрического тока измеряется в кулонах в секунду, обычно единицей измерения является ампер или ампер, обозначаемый буквой «А».

Ампер или усилитель широко используется в электрических и электронных технологиях вместе с умножителями, такими как миллиампер (0.001A), микроампер (0,000001A) и т. Д.

Ток в цепи обычно обозначается буквой «I», и эта буква используется в уравнениях, таких как закон Ома, где V = I⋅R.

Что такое электрический ток: основы

Основная концепция тока состоит в том, что это движение электронов внутри вещества. Электроны — это мельчайшие частицы, которые существуют как часть молекулярной структуры материалов. Иногда эти электроны плотно удерживаются внутри молекул, а иногда они удерживаются свободно, и они могут относительно свободно перемещаться по структуре.

Одно очень важное замечание относительно электронов — это то, что они заряженные частицы — они несут отрицательный заряд. Если они перемещаются, то перемещается количество заряда, и это называется током.

Также стоит отметить, что количество электронов, которые могут двигаться, определяет способность конкретного вещества проводить электричество. Некоторые материалы позволяют току двигаться лучше, чем другие.

Движение свободных электронов обычно очень случайное — оно случайное — столько электронов движется как в одном направлении, так и в другом, и в результате отсутствует общее движение заряда.

Случайное движение электронов в проводнике со свободными электронами

Если на электроны действует сила, перемещающая их в определенном направлении, то все они будут дрейфовать в одном и том же направлении, хотя и в некоторой степени случайным образом, но в целом движение происходит в одном направлении. Одно направление.

Сила, действующая на электроны, называется электродвижущей силой или ЭДС, а ее величина — это напряжение, измеряемое в вольтах.

Электронный поток под действием приложенной электродвижущей силы

Чтобы лучше понять, что такое ток и как он действует в проводнике, его можно сравнить с потоком воды в трубе.У этого сравнения есть ограничения, но оно служит очень простой иллюстрацией тока и протекания тока.

Ток можно рассматривать как воду, текущую по трубе. Когда давление оказывается на один конец, вода движется в одном направлении и течет по трубе. Количество воды пропорционально давлению на конце. Давление или силу, приложенную к концу, можно сравнить с электродвижущей силой.

Когда к трубе прикладывается давление или вода течет в результате открытия крана, вода течет практически мгновенно.То же самое и с электрическим током.

Чтобы получить представление о потоке электронов, требуется 6,24 миллиарда миллиардов электронов в секунду для тока в один ампер.

Обычный ток и поток электронов

Часто существует множество недоразумений относительно обычного потока тока и потока электронов. Сначала это может немного сбивать с толку, но на самом деле все довольно просто.

Частицы, переносящие заряд по проводникам, являются свободными электронами.Направление электрического поля в цепи по определению является направлением проталкивания положительных испытательных зарядов. Таким образом, эти отрицательно заряженные электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю.

Электронный и обычный ток

Это произошло потому, что первоначальные исследования статических и динамических электрических токов были основаны на том, что мы теперь называем носителями положительного заряда. Это означало, что тогда раннее соглашение о направлении электрического тока было установлено как направление, в котором будут двигаться положительные заряды.Это соглашение сохранилось и используется до сих пор.

Итого:

• Обычный ток: Обычный ток идет от положительного к отрицательному выводу и указывает направление, в котором будут протекать положительные заряды.
• Электронный поток: Электронный поток идет от отрицательного полюса к положительному. Электроны заряжены отрицательно и поэтому притягиваются к положительному полюсу так же, как притягиваются разные заряды.

Это соглашение, которое используется во всем мире по сей день, даже если оно может показаться немного странным и устаревшим.

Скорость движения электрона или заряда

Скорость передачи электрического тока сильно отличается от скорости реального движения электронов. Сам электрон подпрыгивает в проводнике и, возможно, движется по проводнику только со скоростью несколько миллиметров в секунду. Это означает, что в случае переменного тока, когда ток меняет направление 50 или 60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не выходит из провода.

Возьмем другой пример. В почти вакууме внутри электронно-лучевой трубки электроны движутся почти по прямым линиям со скоростью примерно в одну десятую скорости света.

Влияние тока

Когда электрический ток течет по проводнику, есть несколько признаков, указывающих на то, что ток течет.

• Тепло рассеивается: Возможно, наиболее очевидным является то, что тепло выделяется. Если ток небольшой, то количество выделяемого тепла, вероятно, будет очень небольшим и его можно не заметить.Однако, если ток больше, возможно, выделяется заметное количество тепла. Электрический огонь — яркий пример того, как ток вызывает выделение тепла. Фактическое количество тепла зависит не только от тока, но также от напряжения и сопротивления проводника.
• Магнитный эффект: Другой эффект, который можно заметить, — это создание магнитного поля вокруг проводника. Если в проводнике течет ток, это можно обнаружить.Поместив компас рядом с проводом, по которому проходит достаточно большой постоянный ток, можно увидеть, что стрелка компаса отклоняется. Обратите внимание, что это не будет работать с сетью, потому что поле меняется слишком быстро, чтобы игла могла реагировать, а два провода (под напряжением и нейтраль), расположенные близко друг к другу в одном кабеле, нейтрализуют поле.

  Магнитное поле, создаваемое током, находит хорошее применение во многих областях. Намотав провод в катушку, можно усилить эффект и создать электромагнит.Реле и множество других предметов используют этот эффект. Громкоговорители также используют переменный ток в катушке, чтобы вызвать колебания в диафрагме, которые позволяют преобразовывать электронные токи в звуки.

Как измерить ток

Одним из важных аспектов тока является знание величины тока, который может протекать в проводнике. Поскольку электрический ток является таким ключевым фактором в электрических и электронных цепях, очень важно знать, какой ток течет.

Есть много разных способов измерения тока. Один из самых простых — использовать мультиметр.

Как измерить ток с помощью цифрового мультиметра:

Используя цифровой мультиметр, цифровой мультиметр, легко измерить ток, поместив цифровой мультиметр в цепь, по которой проходит ток. Цифровой мультиметр даст точные показания тока, протекающего в цепи

.

Узнайте, , как измерить ток с помощью цифрового мультиметра.

Хотя существуют и другие методы измерения тока, это наиболее распространенный.

Ток — один из самых важных и фундаментальных элементов в электрических и электронных технологиях. Ток, протекающий в цепи, можно использовать различными способами: от генерирования тепла до переключения схем или сохранения информации в интегральной схеме.

Другие основные концепции электроники:
Напряжение Текущий Мощность Сопротивление Емкость Индуктивность Трансформеры Децибел, дБ Законы Кирхгофа Q, добротность Радиочастотный шум
Вернуться в меню «Основные понятия электроники».. .

Все об электричестве — Все обо всем, все об атомах, текущее электричество, удар !, + и -, статическое электричество, противоположности притягивают

Итак, электричество заставляет свет светиться, когда вы нажимаете выключатель. Чтобы понять почему, нам нужно взглянуть на мельчайшие частицы материи, из которых состоит наш мир.

Все обо всем

Все вокруг нас состоит из материи . Материя состоит из крошечных атомов .Представьте, что вы разрываете пополам кусок алюминиевой фольги. По-прежнему выглядит как фольга. А теперь представьте, что вы разрываете его на тысячи частей, которые можно увидеть только в микроскоп. Эти части называются атомами.

Основные части атома.

АТОМЫ

Атомы настолько малы, что их можно увидеть только в микроскоп. На одной булавке их миллион!

Все об атомах

У каждого атома есть центр, называемый ядром.Ядро состоит из крошечных частей или частиц. Они называются протонами и нейтронами . Вокруг ядра движется больше частиц. Это электрона . Каждый электрон имеет электрический заряд. Они прыгают от атома к атому, чтобы создать электрический ток. Каждую секунду требуется около шести миллиардов электронов, чтобы зажечь лампочку!

Текущее электричество

Электроны перемещаются или прыгают от атома к атому. Это создает поток электрического заряда.Этот поток называется текущим.

Иногда в одном месте может накапливаться электрический заряд. Это называется статическим электричеством . Когда электрический заряд перетекает из одного места в другое, это называется текущим электричеством. Текущее электричество производится на электростанциях и проходит по проводам и кабелям. Это дает питание электроприборам или приборам вокруг вашего дома.

Поток электронов, прыгающий от атома к атому, создает электрический ток.

Удар!

Свет, тепло или химическая реакция могут заставить электроны перемещаться от одного атома к другому.Когда электроны переходят от одного атома к другому, они создают электрический поток. Электрический ток проходит по траектории, подобной круговой беговой дорожке, называемой цепью .

Представьте себе ряд домино. Один падает и одного за другим сбивает с ног. Электроны переходят от одного атома к другому аналогичным образом.

+ и —

Протон имеет положительный заряд. Это отображается как символ +. Электрон имеет отрицательный заряд. Это отображается как символ -.Неравное количество положительных или отрицательных зарядов дает электрический заряд.

Когда отрицательно заряженных электронов больше, чем положительно заряженных протонов, возникает электрический заряд.

Положительный и отрицательный заряды на воздушном шаре и волосах девушки притягиваются друг к другу.

Статическое электричество

Вы когда-нибудь терли воздушный шарик о свитер? Воздушный шар прилип к свитеру? Это вызвано статическим электричеством.Он накапливается на поверхностях некоторых материалов при их трении друг о друга. Положительные заряды одного материала притягивают отрицательные заряды другого. Это создает статическое электричество. Когда количество зарядов снова становится равным, воздушный шар падает.

Противоположности притягиваются

Два объекта с большим количеством положительно заряженных частиц (протонов) объединяются. Вы увидите, как частицы пытаются оттолкнуть друг друга. Объекты с противоположными зарядами (протоны и электроны) притягиваются друг к другу.Это потому, что разные обвинения пытаются уравновесить друг друга. Если в сухой день расчесать волосы пластиковой расческой, она будет притягивать электроны. В результате в ваших волосах остается слишком много протонов. Каждая прядь волос будет стараться отойти от других!

Как это работает

Пройдите по ковру. Ваша обувь будет собирать отрицательные электроны. Они кружатся по вашему телу в поисках положительных протонов. Затем вы касаетесь металлической дверной ручки. Электроны притягиваются к протонам в металле.Когда они прыгают на металл, он вызывает крошечный удар электрическим током.

ФОТОКОПИР

В копировальных аппаратах используется статическое электричество. Внутри машины положительно заряженные частицы притягивают частицы черного пороха. Черный порошок используется для копирования изображения.

Молния

Сегодня ненастный день. Вы видите вспышку молнии — это огромная электрическая искра. Молния создается притяжением противоположных зарядов. Это та же сила, которая создает статическое электричество.Когда электроны вращаются внутри облака или к земле, они нагревают воздух вокруг себя. Это создает свечение, которое мы видим как молнию. Вы видите путь электричества.

Вспышка молнии содержит достаточно энергии, чтобы зажечь 100-ваттную лампочку на три месяца!

Молния притягивается к проводникам (на самом высоком здании в центре фотографии). Затем молния не попадает в близлежащие здания и людей в этом районе.

Дискавери

Бенджамин Франклин (1706–1790) был американским изобретателем. Он обнаружил, что молния была гигантской электрической искрой. Во время шторма он запустил воздушного змея с металлическим ключом на конце веревки. Молния пролетела по струне и зажгла искру на ключе. Затем Франклин изобрел громоотводы. Это металлические полосы, возведенные на зданиях. Они безопасно переносят молнию на землю.

ЭНЕРГИЯ ВО ВСПЫШКЕ

Эксперимент Бенджамина Франклина с воздушным змеем был опасен.Никогда не пробуйте это делать. Молния всегда ищет самый быстрый путь на Землю. Он будет проходить через любой материал, через который может течь электричество. Это включает человеческие тела.

Все об электричестве и магнетизме

Магнетизм — невидимая сила. Некоторые материалы выдают это. Магнитная сила иногда используется вместе с электричеством. Из него делают электродвигатели. Они обеспечивают питание многих машин и инструментов, которые мы используем.

Магнетизм

Магнит притягивает к себе материалы, содержащие железо и никель.У каждого магнита есть северный полюс и южный полюс. Противоположные полюса притягиваются друг к другу.

Эти железные опилки притягиваются к магниту.

Электромагниты

По проводу проходит электрический ток. Создает магнитное поле. Оберните проволоку вокруг железного прутка. Теперь, когда ток проходит через провод, магнитное поле усиливается. Это называется электромагнитом. Он работает так же, как и другие магниты. Но есть одна большая разница.Вы можете остановить ток в электромагните. Затем отключается и магнитное поле.

Электродвигатели

Электродвигатель использует электромагнит. Он использует магнетизм для превращения электрической энергии в механическую. Это сила, которая заставляет вещи двигаться. В двигателе рядом с электромагнитом помещен магнит. Два магнита реагируют. Создается толкающее и тянущее движение. Это заставляет вращение приводить в действие двигатель.

Некоторые поезда плавают над магнитным полем.Электромагниты запускают и останавливают поезд.

Введение в современное электричество | Давайте поговорим о науке

AB Наука о знаниях и возможностях трудоустройства 8, 9 (пересмотрено в 2009 г.) 9 Модуль D: Принципы и технологии электрооборудования

AB Физика 30 (2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитное излучение

AB Наука 24 (2003 г., обновлено 2014 г.) 11 Блок B: Общие сведения о системах преобразования энергии

AB Наука 30 (2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитная энергия

AB Наука 7-8-9 (2003 г., обновлено в 2014 г.) 9 Модуль D: Принципы и технологии электрооборудования

До нашей эры Физика 12 (июнь 2018) 12 Большая идея: силы и энергетические взаимодействия происходят внутри полей.

До нашей эры Естественные науки 7 класс (июнь 2016 г.) 7 Большая идея: электромагнитная сила производит как электричество, так и магнетизм.

До нашей эры Естественные науки 9 класс (июнь 2016 г.) 9 Большая идея: электрический ток — это поток электрического заряда.

МБ 6 класс естественных наук (2000 г.) 6 Кластер 3: Электричество

МБ Старший 3-й физик (2003 г.) 11 Тема 4: Поля

МБ Старший 4-й факультет физики (2005) 12 Тема 3: Электричество

NB Физика 12 (2003) 12 Поля

NB Physique 12e année — 51411 (версия 2009 г.) (только на французском языке) 12 3.Электростатика

NB Physique 12e année — 51411 (версия 2009 г.) (только на французском языке) 12 4. Электричество и магнетизм

NB 6 класс естественных наук (2002) 6 Физические науки: электричество

NB Sciences de la nature, 11e année (2005 г.) (только на французском языке) 11 Тема 2: Электрические схемы

NB Science et technologies 6e année (2011 г.) (только на французском языке) 6 L’Univers non vivant: La matière et l’énergie

NL 6 класс естествознания (2018) 6 Блок 3: Электричество

NL Физика 3204 (2019) 12 Блок 3: Поля

NS Структура результатов обучения: естественные науки 9 класс (2014 г.) 9 Характеристики электричества

NS Наука P-6 (2019) 6 Физические науки: электричество

NT Учебная программа K-6 по науке и технологиям (NWT, 2004) 6 Энергия и контроль: электричество

NT Наука о знаниях и возможности трудоустройства 9 (Альберта, редакция 2009 г.) 9 Модуль D: Принципы и технологии электрооборудования

NT Физика 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитное излучение

NT Наука 24 (Альберта, 2003 г., обновлено 2014 г.) 11 Блок B: Общие сведения о системах преобразования энергии

NT Наука 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитная энергия

NT Наука 9 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.) 9 Модуль D: Принципы и технологии электрооборудования

НУ Наука о знаниях и возможности трудоустройства 9 (Альберта, редакция 2009 г.) 9 Модуль D: Принципы и технологии электрооборудования

НУ Физика 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитное излучение

НУ Наука 24 (Альберта, 2003 г., обновлено 2014 г.) 11 Блок B: Общие сведения о системах преобразования энергии

НУ Наука 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитная энергия

НУ Наука 9 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.) 9 Модуль D: Принципы и технологии электрооборудования

НА Физика, 11 класс, Университет (СПх4У) 11 Направление F: электричество и магнетизм

НА Физика, 12 класс, Колледж (СПх5С) 12 Нить D: электричество и магнетизм

НА Физика, 12 класс, Университет (СПх5У) 12 Нить D: гравитационное, электрическое и магнитное поля.

НА Наука и технологии, 1–8 классы (2007 г.) 6 Электричество и электрические устройства

НА Естественные науки, 9 класс, академический (SNC1D) (2008) 9 Strand E: Характеристики электричества

НА Прикладная наука 9 класс (SNC1P) 9 Strand E: электрические приложения

PE Физика 621А (2010) 12 Электричество и магнетизм

PE 6 класс естественных наук (2012 г.) 6 Физические науки: электричество

КК Прикладная наука и технологии Раздел IV Материальный мир

КК Экологическая наука и технологии Раздел IV Материальный мир

КК Наука и окружающая среда Раздел IV Материальный мир

SK Физика 30 (2017) 12 Поля

SK Наука 9 (2009) 9 Физические науки — Характеристики электричества (CE)

SK Естественные науки 6 класс (2009 г.) 6 Физическая наука — понимание электричества (EL)

YT Physics 12 (Британская Колумбия, июнь 2018 г.) 12 Большая идея: силы и энергетические взаимодействия происходят внутри полей.

YT Science Grade 7 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.) 7 Большая идея: электромагнитная сила производит как электричество, так и магнетизм.

YT Science Grade 9 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.) 9 Большая идея: электрический ток — это поток электрического заряда.

Электрическое обучение | BrightRidge

Что такое электричество?
Электричество — это форма энергии, которая производит тепло и свет. Электричество также может называться «электрической энергией».”

Где начинается электричество?
Электричество начинается с атома. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Электричество создается, когда внешняя сила заставляет электроны перемещаться от атома к атому. Поток электронов называется «электрическим током».

Что заставляет электроны двигаться?
Напряжение — это «внешняя сила», которая заставляет электроны двигаться. Напряжение — это потенциальная энергия. Потенциальная энергия обладает способностью выполнять работу.Пример потенциальной энергии — топор, который держат над деревом. Если топор упадет на кусок дерева, оно расколется. Обратите внимание на слово «если». Потенциальная энергия работает ТОЛЬКО, если это разрешено.

Что такое напряжение?

Напряжение — это «внешняя сила», которая заставляет электроны двигаться. Напряжение — это потенциальная энергия. Некоторые характеристики напряжения:

• Напряжение не видно и не слышно.
• Напряжение — это толчок или сила.
• Voltage само по себе ничего не делает.
• Voltage может работать.
• Напряжение появляется между двумя точками.
• Напряжение всегда есть.

Какие два вида электричества?

Статическое электричество возникает при дисбалансе положительно и отрицательно заряженных атомов. Затем электроны прыгают от атома к атому, высвобождая энергию. Два примера статического электричества: молния и трение ногами о ковер, а затем прикосновение к дверной ручке.

Текущее электричество — это постоянный поток электронов. Существует два вида текущего электричества: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). При постоянном токе электроны движутся в одном направлении. Батареи вырабатывают постоянный ток. В переменном токе электроны текут в обоих направлениях. Электростанции вырабатывают переменный ток. Переменный ток (AC) — это тип электроэнергии, которую BrightRidge передает вам для использования.

Что такое проводники и изоляторы?

Проводники — это все, через что легко проходит электричество.Примеры электрических проводников — медь, алюминий и вода.

Изоляторы — это материалы, которые не пропускают электричество. Некоторые примеры изоляторов — резина, стекло и пластик.

12 интересных фактов об электроэнергии

Мы используем электричество каждый день, но большинство людей очень мало знают о физических явлениях. Электричество — самый универсальный источник энергии на планете, но мы зависим от него всего около 100 лет.

Электричество — это тип энергии, который накапливается в одном месте или перетекает из одного места в другое. Когда электричество собирается в одном месте, это называется статическим электричеством. Электричество, которое перемещается из одного места в другое, называется электрическим током.

Статическое электричество обычно возникает, когда вы трете предметы друг о друга. Вот почему воздушный шарик будет прилипать к вам после того, как вы потрете его о одежду. Или почему вы испытываете шок, когда идете по ковру и касаетесь чего-то металлического.Это также причина молнии. Когда дождевые облака движутся по небу, они трутся о воздух вокруг себя.

Электрический ток — это поток электрического заряда. В электрических цепях этот заряд часто переносится перемещением электронов по проводу. Он участвует в питании электроприборов, которыми вы пользуетесь каждый день: компьютеров, смартфонов, стиральных машин, фонарей и любых других распространенных электрических устройств.

Вот еще несколько интересных фактов об электричестве:

1.Электричество движется со скоростью 6 696 000 миль в час.

2. Электричество играет важную роль в работе вашего сердца. Мышечные клетки сердца сокращаются электричеством, которое проходит через ваше тело.

Электрокардиограммы (ЭКГ) используются в больницах для измерения электричества, протекающего через сердце пациента, с отображением линии, которая резко увеличивается с каждым ударом сердца.

3. Что такое вольт? Единица электрической силы, измеряющая потенциальную силу тока.

4. Типичный разряд молнии выдает 100 миллионов вольт.

5. Средний электрошокер излучает 50 000 вольт.

6. Искра статического электричества может измерять до 3000 вольт.

7. Электрические угри могут вызывать токи силой 500 вольт и более.

8. Уголь — крупнейший в мире источник энергии для производства электроэнергии. Как это работает?

Уголь сжигают в печах, которые кипятят воду.