Warunki istnienia prądu elektrycznego: charakterystyka i działania. Co to jest prąd elektryczny

Ładunek w ruchu. Może przybrać formę nagłego wyładowania elektryczności statycznej, takiego jak błyskawica. Lub może to być kontrolowany proces w generatorach, bateriach, ogniwach słonecznych lub paliwowych. Dziś przyjrzymy się koncepcji Elektryczność oraz warunki istnienia prądu elektrycznego.

Energia elektryczna

Większość zużywanej przez nas energii elektrycznej pochodzi z prądu przemiennego z sieci elektrycznej. Tworzą go generatory działające zgodnie z prawem indukcji Faradaya, dzięki któremu zmieniające się pole magnetyczne może indukować prąd elektryczny w przewodniku.

Generatory mają wirujące cewki z drutu, które podczas wirowania przechodzą przez pola magnetyczne. Gdy cewki się obracają, otwierają się i zamykają względem siebie pole magnetyczne i wytworzyć prąd elektryczny, który zmienia kierunek na każdym kroku. Prąd przepływa przez pełny cykl tam iz powrotem 60 razy na sekundę.

Generatory mogą być napędzane przez turbiny parowe ogrzewane węglem, gazem ziemnym, ropą naftową lub reaktorem jądrowym. Z generatora prąd przepływa przez szereg transformatorów, w których wzrasta jego napięcie. Średnica przewodów określa ilość i siłę prądu, który mogą przewodzić bez przegrzania i marnowania energii, a napięcie jest ograniczone jedynie przez to, jak dobrze przewody są izolowane od ziemi.

Warto zauważyć, że prąd jest przenoszony tylko przez jeden przewód, a nie przez dwa. Jego dwie strony są oznaczone jako dodatnie i ujemne. Ponieważ jednak biegunowość prądu przemiennego zmienia się 60 razy na sekundę, mają one inne nazwy - gorące (główne linie energetyczne) i uziemione (przechodzące pod ziemię w celu zamknięcia obwodu).

Dlaczego potrzebna jest energia elektryczna?

Energia elektryczna ma wiele zastosowań: może oświetlić dom, wyprać i wysuszyć ubrania, podnieść bramę garażową, zagotować wodę w czajniku i zasilić inne artykuły gospodarstwa domowego, które znacznie ułatwiają nam życie. Jednak zdolność prądu do przesyłania informacji staje się coraz ważniejsza.

Po podłączeniu do Internetu komputer zużywa tylko niewielką część prądu elektrycznego, ale to jest coś, bez czego nowoczesny mężczyzna nie reprezentuje jego życia.

Pojęcie prądu elektrycznego

Podobnie jak prąd rzeki, strumień cząsteczek wody, prąd elektryczny jest strumieniem naładowanych cząstek. Co to powoduje i dlaczego nie zawsze idzie w tym samym kierunku? Kiedy słyszysz słowo flow, o czym myślisz? Być może będzie to rzeka. To dobre skojarzenie, ponieważ właśnie dlatego prąd elektryczny ma swoją nazwę. Jest bardzo podobny do przepływu wody, tylko zamiast cząsteczek wody poruszających się wzdłuż kanału, naładowane cząstki poruszają się wzdłuż przewodnika.

Wśród warunków niezbędnych do istnienia prądu elektrycznego znajduje się element, który zapewnia obecność elektronów. Atomy w materiale przewodzącym mają wiele takich swobodnie naładowanych cząstek, które unoszą się wokół i pomiędzy atomami. Ich ruch jest przypadkowy, więc nie ma przepływu w żadnym określonym kierunku. Co jest potrzebne, aby pojawił się prąd elektryczny?

Warunki istnienia prądu elektrycznego obejmują obecność napięcia. Po przyłożeniu do przewodnika wszystkie swobodne elektrony poruszają się w tym samym kierunku, tworząc prąd.

Interesuje się prądem elektrycznym

Co ciekawe, gdy energia elektryczna jest przesyłana przez przewodnik z prędkością światła, same elektrony poruszają się znacznie wolniej. W rzeczywistości, gdybyś szedł spokojnie obok przewodzącego drutu, twoja prędkość byłaby 100 razy większa niż prędkość elektronów. Wynika to z faktu, że nie muszą pokonywać ogromnych odległości, aby przekazywać sobie energię.

Prąd stały i przemienny

Obecnie powszechnie stosowane są dwa. różne rodzaje prąd - stały i zmienny. W pierwszym elektrony poruszają się w jednym kierunku, od strony „ujemnej” do strony „dodatniej”. Prąd przemienny popycha elektrony tam iz powrotem, zmieniając kierunek przepływu kilka razy na sekundę.

Generatory stosowane w elektrowniach do produkcji energii elektrycznej przeznaczone są do wytwarzania prądu przemiennego. Prawdopodobnie nigdy nie zauważyłeś, że światło w twoim domu faktycznie migocze, gdy zmienia się aktualny kierunek, ale dzieje się to zbyt szybko, aby oczy mogły to rozpoznać.

Jakie są warunki istnienia stałego prądu elektrycznego? Dlaczego potrzebujemy obu typów i który z nich jest lepszy? Ten dobre pytania. Fakt, że nadal używamy obu rodzajów prądu sugeruje, że oba służą określonym celom. Już w XIX wieku wiadomo było, że wydajne przesyłanie energii na duże odległości między elektrownią a domem jest możliwe tylko przy bardzo wysokich napięciach. Problem polegał jednak na tym, że przesyłanie naprawdę wysokiego napięcia było niezwykle niebezpieczne dla ludzi.

Rozwiązaniem tego problemu było zmniejszenie stresu na zewnątrz domu przed wysłaniem go do środka. Do dziś prąd stały wykorzystywany jest do przesyłu na duże odległości, głównie ze względu na jego zdolność do łatwej konwersji na inne napięcia.

Jak działa prąd elektryczny

Warunki istnienia prądu elektrycznego obejmują obecność naładowanych cząstek, przewodnika i napięcia. Wielu naukowców badało elektryczność i odkryło, że istnieją jej dwa rodzaje: statyczna i prądowa.

To właśnie ten ostatni odgrywa w nim ważną rolę Życie codzienne jakiejkolwiek osoby, ponieważ reprezentuje prąd elektryczny przepływający przez obwód. Używamy go codziennie do zasilania naszych domów i nie tylko.

Co to jest prąd elektryczny?

Kiedy ładunki elektryczne krążą w obwodzie z jednego miejsca do drugiego, generowany jest prąd elektryczny. Warunki istnienia prądu elektrycznego obejmują, oprócz naładowanych cząstek, obecność przewodnika. Najczęściej jest to drut. Jego obwód jest obwodem zamkniętym, w którym prąd płynie ze źródła zasilania. Kiedy obwód jest otwarty, nie może ukończyć podróży. Na przykład, gdy światło w twoim pokoju jest wyłączone, obwód jest otwarty, ale gdy obwód jest zamknięty, światło jest włączone.

Bieżąca moc

Na warunki istnienia prądu elektrycznego w przewodniku duży wpływ ma taka charakterystyka napięcia, jak moc. Jest to miara zużycia energii w danym okresie czasu.

Istnieje wiele różnych jednostek, których można użyć do wyrażenia tej cechy. Jednak moc elektryczna jest prawie mierzona w watach. Jeden wat jest równy jednemu dżulowi na sekundę.

Ładunek elektryczny w ruchu

Jakie są warunki istnienia prądu elektrycznego? Może przybrać formę nagłego wyładowania elektryczności statycznej, takiego jak błyskawica lub iskra w wyniku tarcia o wełnianą szmatkę. Częściej jednak, gdy mówimy o prądzie elektrycznym, mamy na myśli bardziej kontrolowaną formę elektryczności, która sprawia, że ​​światła i urządzenia działają. Większość ładunku elektrycznego jest przenoszona przez ujemne elektrony i dodatnie protony w atomie. Jednak te ostatnie są w większości unieruchomione w jądrach atomowych, więc pracę polegającą na przenoszeniu ładunku z jednego miejsca na drugie wykonują elektrony.

Elektrony w materiale przewodzącym, takim jak metal, mogą w dużej mierze swobodnie przemieszczać się z jednego atomu do drugiego wzdłuż ich pasm przewodnictwa, czyli wyższych orbit elektronowych. Wystarczająca siła elektromotoryczna lub napięcie powoduje nierównowagę ładunku, która może powodować przemieszczanie się elektronów przez przewodnik w postaci prądu elektrycznego.

Jeśli narysujemy analogię z wodą, weźmy na przykład fajkę. Kiedy otwieramy zawór na jednym końcu, aby woda dostała się do rury, nie musimy czekać, aż woda dotrze do końca rury. Wodę na drugim końcu uzyskujemy niemal natychmiast, ponieważ dopływająca woda wypycha wodę już znajdującą się w rurze. Tak dzieje się w przypadku prądu elektrycznego w przewodzie.

Prąd elektryczny: warunki istnienia prądu elektrycznego

Prąd elektryczny jest zwykle postrzegany jako przepływ elektronów. Kiedy dwa końce baterii są połączone ze sobą metalowym drutem, ta naładowana masa przechodzi przez ten drut od jednego końca (elektrody lub bieguna) baterii do przeciwnego. Nazwijmy więc warunki istnienia prądu elektrycznego:

1. naładowane cząstki.
2. Konduktor.
3. Źródło napięcia.

Jednak nie wszystko takie proste. Jakie warunki są konieczne do istnienia prądu elektrycznego? Na to pytanie można odpowiedzieć bardziej szczegółowo, biorąc pod uwagę następujące cechy:

• Różnica potencjałów (napięcie). To jeden z warunków wstępnych. Pomiędzy tymi dwoma punktami musi istnieć różnica potencjałów, co oznacza, że ​​siła odpychania wytwarzana przez naładowane cząstki w jednym miejscu musi być większa niż ich siła w innym punkcie. Źródła napięcia na ogół nie występują w przyrodzie, a elektrony są rozprowadzane środowisko dość równomiernie. Niemniej jednak naukowcom udało się wynaleźć pewne typy urządzeń, w których te naładowane cząstki mogą się gromadzić, tworząc w ten sposób bardzo potrzebne napięcie (na przykład w bateriach).
• Opór elektryczny (przewodnik). To jest drugie ważny warunek, który jest niezbędny do istnienia prądu elektrycznego. Jest to droga, po której poruszają się naładowane cząstki. Tylko te materiały, które umożliwiają swobodny ruch elektronów, działają jak przewodniki. Ci, którzy nie mają tej zdolności, nazywani są izolatorami. Na przykład metalowy drut będzie doskonałym przewodnikiem, a jego gumowa osłona będzie doskonałym izolatorem.

Po dokładnym przestudiowaniu warunków pojawienia się i istnienia prądu elektrycznego ludzie byli w stanie okiełznać ten potężny i niebezpieczny element i skierować go na korzyść ludzkości.

Metale w stanie stałym, jak wiadomo, mają strukturę krystaliczną. Cząsteczki w kryształach ułożone są w określonej kolejności, tworząc przestrzenną (krystaliczną) siatkę.

Jony dodatnie znajdują się w węzłach sieci krystalicznej metalu, a w przestrzeni między nimi poruszają się swobodne elektrony. Swobodne elektrony nie są związane z jądrami swoich atomów (ryc. 53).

Ryż. 53. Metalowa krata

Ujemny ładunek wszystkich wolnych elektronów jest równy wartości bezwzględnej dodatniemu ładunkowi wszystkich jonów sieci. Dlatego w normalne warunki metal jest elektrycznie obojętny. Swobodne elektrony w nim poruszają się losowo. Ale jeśli w metalu powstanie pole elektryczne, wówczas swobodne elektrony zaczną poruszać się w kierunku pod działaniem sił elektrycznych. Będzie prąd elektryczny. Równocześnie zachowany jest przypadkowy ruch elektronów, tak jak zachowany jest przypadkowy ruch w stadzie muszek, które pod wpływem wiatru porusza się w jednym kierunku.

Więc, prąd elektryczny w metalach to uporządkowany ruch swobodnych elektronów.

Mandelstam Leonid Izaakowicz (1879-1944)
Rosyjski fizyk, akademik. Wniósł znaczący wkład w rozwój radiofizyki i radiotechniki.

Papaleksi Nikołaj Dmitriewicz (1880-1947)
Rosyjski fizyk, akademik. Zajmował się badaniami z zakresu radiotechniki, radiofizyki, radioastronomii.

Dowodem na to, że prąd w metalach jest spowodowany elektronami, były eksperymenty fizyków naszego kraju Leonida Izaakowicza Mandelstama i Nikołaja Dmitriewicza Papaleksiego, a także fizyków amerykańskich Balfoura Stewarta i Roberta Tolmana.

Szybkość ruchu samych elektronów w przewodniku pod działaniem pole elektryczne mały - kilka milimetrów na sekundę, a czasem nawet mniej. Ale gdy tylko w przewodniku pojawi się pole elektryczne, rozchodzi się ono na całej długości przewodnika z ogromną prędkością bliską prędkości światła w próżni (300 000 km / s).

Równocześnie z propagacją pola elektrycznego wszystkie elektrony zaczynają poruszać się w tym samym kierunku na całej długości przewodnika. Na przykład, gdy obwód lampy elektrycznej jest zamknięty, elektrony obecne w spirali lampy również zaczynają się poruszać w uporządkowany sposób.

Pomoże to zrozumieć porównanie prądu elektrycznego z przepływem wody w sieci wodociągowej oraz propagacją pola elektrycznego z propagacją ciśnienia wody. Kiedy woda podnosi się do wieży ciśnień, ciśnienie (ciśnienie) wody rozprzestrzenia się bardzo szybko w całym systemie hydraulicznym. Kiedy odkręcamy kran, woda jest już pod ciśnieniem i od razu zaczyna płynąć. Ale woda, która w nim była, wypływa z kranu, a woda z wieży dotrze do kranu znacznie później, ponieważ ruch wody odbywa się z mniejszą prędkością niż ciśnienie.

Kiedy mówią o prędkości propagacji prądu elektrycznego w przewodniku, mają na myśli prędkość propagacji pola elektrycznego wzdłuż przewodnika.

Sygnał elektryczny wysłany np. przewodowo z Moskwy do Władywostoku (s = 8000 km) dociera tam w czasie około 0,03 s.

pytania

1. Jak wytłumaczyć, że w normalnych warunkach metal jest elektrycznie obojętny?
2. Co dzieje się z elektronami metalu, gdy pojawia się w nim pole elektryczne?
3. Co to jest prąd elektryczny w metalu?
4. O jakiej prędkości mówimy, gdy mówimy o prędkości rozchodzenia się prądu elektrycznego w przewodniku?

Ćwiczenia

Korzystając z Internetu, dowiedz się, jak szybko elektrony poruszają się w metalach. Porównaj to z prędkością światła.

Elektryczność

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

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

Ładunki elektryczne zawsze powstają, gdy różne substancje są w bliskim kontakcie. Jeśli ciała są stałe, to ich bliskiemu kontaktowi zapobiegają mikroskopijne wypukłości i nierówności występujące na ich powierzchni. Ściskając takie ciała i pocierając je o siebie, zbliżamy do siebie ich powierzchnie, które bez nacisku stykałyby się tylko w kilku punktach. W niektórych ciałach ładunki elektryczne mogą swobodnie przemieszczać się między nimi różne części podczas gdy w innych nie jest to możliwe. W pierwszym przypadku ciała nazywane są „przewodnikami”, aw drugim „dielektrykami lub izolatorami”. Przewodnikami są wszystkie metale, wodne roztwory soli i kwasów itp. Przykładami izolatorów są bursztyn, kwarc, ebonit i wszystkie gazy znajdujące się w normalnych warunkach.

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

Obwody elektryczne zasilające żarówki oświetleniowe i silniki elektryczne pojawiły się dopiero po wynalezieniu baterii, które datuje się na około 1800 rok. Później rozwój doktryny elektryczności postępował tak szybko, że w ciągu niecałego stulecia stała się ona nie tylko częścią fizyki, ale stała się podstawą nowej cywilizacji elektrycznej.

Główne wielkości prądu elektrycznego

Ilość energii elektrycznej i siła prądu. Wpływ prądu elektrycznego może być silny lub słaby. Siła prądu elektrycznego zależy od ilości ładunku, który przepływa przez obwód w określonej jednostce czasu. Im więcej elektronów przemieściło się z jednego bieguna źródła na drugi, tym większy jest całkowity ładunek przenoszony przez elektrony. Ten całkowity ładunek nazywany jest ilością energii elektrycznej przechodzącej przez przewodnik.

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

Natężenie prądu to wielkość równa stosunkowi ładunku elektrycznego, który przeszedł przez przekrój przewodnika, do czasu jego przepływu. Jednostką ładunku jest kulomb (C), czas mierzony jest w sekundach (s). W tym przypadku jednostką natężenia prądu jest C/s. Ta jednostka nazywa się amperem (A). Aby zmierzyć natężenie prądu w obwodzie, stosuje się elektryczne urządzenie pomiarowe zwane amperomierzem. W celu włączenia do obwodu amperomierz jest wyposażony w dwa zaciski. Jest włączony w obwód szeregowo.

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

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

Aby w obwodzie elektrycznym pojawiło się napięcie, potrzebne jest źródło prądu. W obwodzie otwartym napięcie występuje tylko na zaciskach źródła prądu. Jeśli to źródło prądu jest zawarte w obwodzie, napięcie pojawi się również w niektórych sekcjach obwodu. W związku z tym w obwodzie będzie również prąd. Oznacza to, że w skrócie możemy powiedzieć, co następuje: jeśli w obwodzie nie ma napięcia, nie ma prądu. Do pomiaru napięcia służy elektryczne urządzenie pomiarowe zwane woltomierzem. Jego wygląd przypomina wspomniany wcześniej amperomierz, z tą różnicą, że na podziałce woltomierza jest litera V (zamiast A na amperomierzu). Woltomierz ma dwa zaciski, za pomocą których jest podłączony równolegle do obwodu elektrycznego.

Opór elektryczny. Po podłączeniu wszelkiego rodzaju przewodów i amperomierza do obwodu elektrycznego można zauważyć, że przy użyciu różnych przewodów amperomierz daje różne odczyty, czyli w tym przypadku inna jest siła prądu dostępnego w obwodzie elektrycznym. Zjawisko to można wytłumaczyć faktem, że różne przewodniki mają różną rezystancję elektryczną, która jest wielkością fizyczną. Na cześć niemieckiego fizyka nazwano ją Ohm. Z reguły w fizyce stosuje się większe jednostki: kiloom, megaom itp. Rezystancję przewodnika zwykle oznacza się literą R, długość przewodu to L, pole przekroju poprzecznego to S. W tym przypadku rezystancję można zapisane w postaci formuły:

gdzie współczynnik p nazywa się rezystywnością. Współczynnik ten wyraża opór przewodu o długości 1 m i polu przekroju równym 1 m2. Rezystywność wyraża się w omach x m. Ponieważ druty z reguły mają raczej mały przekrój, ich obszary są zwykle wyrażane w milimetrach kwadratowych. W tym przypadku jednostka oporność staje się Ohm x mm2/m. W tabeli poniżej. 1 pokazuje rezystywność niektórych materiałów.

Według tabeli. 1 staje się jasne, że miedź ma najmniejszy opór elektryczny, a stop metali ma największy. Ponadto dielektryki (izolatory) mają wysoką rezystywność.

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

Yandex.DirectWszystkie reklamyMieszkania do wynajęcia Kazań! Apartamenty od 1000 rubli. codziennie. Mini-hotele. Raportowanie dokumentów16.forguest.ru Mieszkania do wynajęcia w Kazaniu Przytulne apartamenty we wszystkich dzielnicach Kazania. Szybki wynajem mieszkania.fatyr.ru Nowa przeglądarka Yandex! Wygodne zakładki i niezawodna ochrona. Przeglądarka do przyjemnych spacerów w sieci!browser.yandex.ru 0+

Jeśli weźmiesz dwa odizolowane od siebie przewodniki, umieścisz je w niewielkiej odległości od siebie, otrzymasz kondensator. Pojemność kondensatora zależy od grubości jego okładek oraz grubości dielektryka i jego przepuszczalności. Zmniejszając grubość dielektryka między płytkami kondensatora, możliwe jest znaczne zwiększenie pojemności tego ostatniego. Na wszystkich kondensatorach, oprócz ich pojemności, należy podać napięcie, dla którego te urządzenia są zaprojektowane.

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

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

Podstawowe prawa prądu elektrycznego

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

Jaki jest więc opór drutu lub obwodu jako całości? Czy drut, podobnie jak rury wodociągowe lub rury w systemie próżniowym, ma stałą właściwość, którą można nazwać oporem? Na przykład w rurach stosunek różnicy ciśnień tworzących przepływ do natężenia przepływu jest zwykle stałą cechą rury. W ten sam sposób przepływ ciepła w drucie podlega prostej zależności, która obejmuje różnicę temperatur, pole przekroju poprzecznego drutu i jego długość. Odkrycie takiej zależności dla obwodów elektrycznych było wynikiem udanych poszukiwań.

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

Om był synem ślusarza, więc wiedział, jak narysować drut metalowy o różnej grubości, którego potrzebował do eksperymentów. Ponieważ w tamtych czasach nie można było kupić odpowiedniego drutu, Om zrobił to własnymi rękami. Podczas eksperymentów wypróbował różne długości, różne grubości, różne metale, a nawet różne temperatury. Wszystkie te czynniki zmieniał po kolei. W czasach Ohma baterie były jeszcze słabe i dawały prąd o zmiennej wartości. W związku z tym badacz wykorzystał termoparę jako generator, którego gorące złącze zostało umieszczone w płomieniu. Ponadto użył prymitywnego amperomierza magnetycznego i zmierzył różnice potencjałów (Ohm nazywał je „napięciami”), zmieniając temperaturę lub liczbę złączy termicznych.

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

Aktualizowanie wiedzy o elektryczności z jednej strony spowodowało powstanie nowej dziedziny fizyki, z drugiej strony było podstawą szybkiego rozwoju elektrotechniki tj. baterii, generatorów, układów zasilania oświetlenia i napędu elektrycznego , wynaleziono piece elektryczne, silniki elektryczne itp., inne.

Odkrycia Ohma były Świetna cena zarówno dla rozwoju doktryny elektryczności, jak i dla rozwoju elektrotechniki stosowanej. Ułatwiły przewidywanie właściwości obwodów elektrycznych dla prądu stałego, a później dla prądu przemiennego. W 1826 roku Ohm opublikował książkę, w której przedstawił wnioski teoretyczne i wyniki eksperymentów. Ale jego nadzieje nie były uzasadnione, książka spotkała się z kpiną. Stało się tak, ponieważ metoda surowych eksperymentów wydawała się mało atrakcyjna w epoce, kiedy wielu ludzi interesowało się filozofią.

Omu nie miał innego wyjścia, jak tylko zrezygnować ze stanowiska nauczyciela. Z tego samego powodu nie dostał się na uczelnię. Przez 6 lat naukowiec żył w biedzie, bez wiary w przyszłość, doświadczając uczucia gorzkiego rozczarowania.

Ale stopniowo jego twórczość zyskała sławę najpierw poza granicami Niemiec. Om był szanowany za granicą, wykorzystywano jego badania. W związku z tym rodacy zostali zmuszeni do uznania go w swojej ojczyźnie. W 1849 otrzymał profesurę na uniwersytecie w Monachium.

Ohm odkrył proste prawo, które określa zależność między prądem a napięciem dla kawałka drutu (dla części obwodu, dla całego obwodu). Ponadto stworzył zasady, które pozwalają określić, co się zmieni, jeśli weźmiesz drut o innym rozmiarze. Prawo Ohma jest sformułowane w następujący sposób: natężenie prądu w odcinku obwodu jest wprost proporcjonalne do napięcia w tym odcinku i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji tego odcinka.

Prawo Joule'a-Lenza. Prąd elektryczny w dowolnej części obwodu wykonuje określoną pracę. Weźmy na przykład fragment obwodu, między końcami którego znajduje się napięcie (U). Zgodnie z definicją napięcia elektrycznego praca wykonana podczas przemieszczania jednostki ładunku między dwoma punktami jest równa U. Jeśli natężenie prądu w danym odcinku obwodu wynosi i, to ładunek przepłynie w czasie t, a zatem praca prądu elektrycznego w tej sekcji będzie wynosić:

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

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

Załóżmy, że odcinkiem obwodu jest stały przewodnik. W takim przypadku cała praca zamieni się w ciepło, które zostanie uwolnione w tym przewodniku. Jeśli przewodnik jest jednorodny i przestrzega prawa Ohma (dotyczy to wszystkich metali i elektrolitów), to:

gdzie r jest rezystancją przewodnika. W tym przypadku:

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

Należy zauważyć, że nagrzewanie przewodów znajduje liczne zastosowania w inżynierii. Najpopularniejszymi i najważniejszymi z nich są żarówki oświetleniowe.

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

W trakcie eksperymentów Faraday odkrył, że gdy zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej przechodzących przez powierzchnię ograniczoną zamkniętą pętlą, powstaje w niej prąd elektryczny. Na tym opiera się być może najważniejsze prawo fizyki - prawo indukcji elektromagnetycznej. Prąd występujący w obwodzie nazywany jest indukcyjnym. Ponieważ prąd elektryczny występuje w obwodzie tylko w przypadku działania sił zewnętrznych na ładunki swobodne, to przy zmiennym strumieniu magnetycznym przechodzącym nad powierzchnią obwodu zamkniętego, te same siły zewnętrzne występują w nim. Działanie sił zewnętrznych w fizyce nazywane jest siłą elektromotoryczną lub indukcją EMF.

Indukcja elektromagnetyczna pojawia się również w otwartych przewodnikach. Kiedy przewodnik przecina pole magnetyczne linie siły, napięcie jest generowane na jego końcach. Przyczyną pojawienia się takiego napięcia jest indukcja pola elektromagnetycznego. Jeśli strumień magnetyczny przechodzący przez obwód zamknięty nie zmienia się, prąd indukcyjny nie pojawia się.

Używając pojęcia „SEM indukcji”, można mówić o prawie indukcji elektromagnetycznej, tj. SEM indukcji w pętli zamkniętej jest równe wartości bezwzględnej szybkości zmiany strumienia magnetycznego przez powierzchnię ograniczoną przez pętla.

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

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

Oprócz indukcji w cewce może pojawić się tak zwana samoindukcja. Jego istota jest następująca. Jeśli w cewce pojawi się prąd lub zmieni się jego siła, pojawi się zmieniające się pole magnetyczne. A jeśli zmienia się strumień magnetyczny przechodzący przez cewkę, powstaje w niej siła elektromotoryczna, która nazywa się Samoindukcja pola elektromagnetycznego.

Zgodnie z regułą Lenza, EMF samoindukcji, gdy obwód jest zamknięty, zakłóca siłę prądu i nie pozwala na jego wzrost. Kiedy obwód EMF jest wyłączony, samoindukcja zmniejsza siłę prądu. W przypadku, gdy natężenie prądu w cewce osiągnie określoną wartość, pole magnetyczne przestaje się zmieniać, a samoindukcja SEM staje się zerowa.

Prąd elektryczny to naładowane cząstki, które mogą poruszać się w uporządkowany sposób w dowolnym przewodniku. Ruch ten zachodzi pod wpływem pola elektrycznego. Występowanie ładunków elektrycznych występuje prawie stale. Jest to szczególnie widoczne, gdy różne substancje stykają się ze sobą.

Jeśli możliwy jest całkowity swobodny ruch ładunków względem siebie, to substancje te są przewodnikami. Gdy taki ruch nie jest możliwy, tę kategorię substancji uważa się za izolatory. Przewodniki obejmują wszystkie metale z różne stopnie przewodnictwo, a także roztwory chlorowodorowe i kwasowe. Izolatorami mogą być naturalne substancje w postaci ebonitu, bursztynu, różnych gazów i kwarcu. Mogą być pochodzenia sztucznego, na przykład PVC, polietylen i inne.

Wartości prądu elektrycznego

Jako wielkość fizyczną prąd można mierzyć za pomocą jego podstawowych parametrów. Na podstawie wyników pomiarów określa się możliwość wykorzystania energii elektrycznej na określonym obszarze.

Istnieją dwa rodzaje prądu elektrycznego - stały i przemienny. Pierwszy z nich zawsze pozostaje niezmienny w czasie i kierunku, aw drugim przypadku występują zmiany tych parametrów w pewnym okresie czasu.

Ukierunkowany ruch cząstek naładowanych w polu elektrycznym.

Cząstkami naładowanymi mogą być elektrony lub jony (naładowane atomy).

Atom, który utracił jeden lub więcej elektronów, otrzymuje ładunek dodatni. - Anion (jon dodatni).
Atom, który otrzymał jeden lub więcej elektronów, otrzymuje ładunek ujemny. - Kation (jon ujemny).
Jony jako ruchome cząstki naładowane są rozpatrywane w cieczach i gazach.

W metalach nośnikami ładunku są swobodne elektrony, jako cząstki naładowane ujemnie.

W półprzewodnikach rozważają ruch (ruch) ujemnie naładowanych elektronów z jednego atomu na drugi, aw rezultacie ruch między atomami utworzonych dodatnio naładowanych wakatów - dziur.

Za kierunek prądu elektrycznego konwencjonalnie przyjmuje się kierunek ruchu ładunków dodatnich. Zasada ta została ustalona na długo przed badaniem elektronu i została zachowana do dnia dzisiejszego. Podobnie wyznacza się natężenie pola elektrycznego dla dodatniego ładunku testowego.

Za dowolne jedno ładowanie Q w elektrycznym polu siły mi działa siła F = qE, który przesuwa ładunek w kierunku wektora tej siły.

Rysunek pokazuje, że wektor siły F-=-qE działając na ujemny ładunek -Q, jest skierowany w kierunku przeciwnym do wektora natężenia pola, jako iloczyn wektora mi do wartości ujemnej. Dlatego ujemnie naładowane elektrony, które są nośnikami ładunku w przewodnikach metalowych, w rzeczywistości mają kierunek ruchu przeciwny do wektora natężenia pola i ogólnie przyjętego kierunku przepływu prądu elektrycznego.

Wysokość opłaty Q\u003d 1 wisiorek przesunął się w czasie przez przekrój przewodnika T= 1 sekunda, określona przez wielkość prądu I\u003d 1 amper ze stosunku:

ja = Q/t.

Bieżący stosunek I\u003d 1 amper w przewodniku do jego pola przekroju S\u003d 1 m2 określi gęstość prądu J= 1 A/m2:

Stanowisko A\u003d 1 dżul wydany na opłatę transportową Q= 1 Zawieszka od punktu 1 do punktu 2 określi wartość napięcia elektrycznego u= 1 wolt jako różnica potencjałów φ 1 i φ 2 między tymi punktami z obliczenia:

u = A/Q = φ 1 - φ 2

Prąd elektryczny może być stały lub zmienny.

Prąd stały - prąd elektryczny, którego kierunek i wielkość nie zmieniają się w czasie.

Prąd przemienny - prąd elektryczny, którego wielkość i kierunek zmieniają się w czasie.

W 1826 roku niemiecki fizyk Georg Ohm odkrył ważne prawo elektryczności, które określa ilościową zależność między prądem elektrycznym a właściwościami przewodnika charakteryzującymi ich zdolność do wytrzymywania prądu elektrycznego.
Te właściwości zostały później nazwane opór elektryczny, oznaczony literą R i mierzona w omach na cześć odkrywcy.
Prawo Ohma nowoczesna interpretacja klasyczny stosunek U / R określa wielkość prądu elektrycznego w przewodniku na podstawie napięcia u na końcach tego przewodnika i jego rezystancji R:

Prąd elektryczny w przewodnikach

W przewodnikach znajdują się nośniki ładunku swobodnego, które pod wpływem siły pola elektrycznego zaczynają się poruszać i wytwarzać prąd elektryczny.

W przewodnikach metalicznych nośnikami ładunku są swobodne elektrony.
Wraz ze wzrostem temperatury chaotyczny ruch termiczny atomów uniemożliwia ukierunkowany ruch elektronów, a rezystancja przewodnika wzrasta.
Po schłodzeniu, gdy temperatura dąży do zera bezwzględnego, gdy ruch termiczny ustaje, opór metalu dąży do zera.

Prąd elektryczny w cieczach (elektrolitach) istnieje jako ukierunkowany ruch naładowanych atomów (jonów), które powstają w procesie dysocjacji elektrolitycznej.
Jony poruszają się w kierunku elektrod przeciwnych do nich w znaku i są neutralizowane, osadzając się na nich. - Elektroliza.
Aniony to jony dodatnie. Przesuwają się do elektrody ujemnej - katody.
Kationy to jony ujemne. Przesuwają się do elektrody dodatniej - anody.
Prawa elektrolizy Faradaya określają masę substancji uwalnianej na elektrodach.
Po podgrzaniu opór elektrolitu zmniejsza się z powodu wzrostu liczby cząsteczek rozkładających się na jony.

Prąd elektryczny w gazach - plazma. Ładunek elektryczny jest przenoszony przez jony dodatnie lub ujemne oraz wolne elektrony, które powstają pod wpływem promieniowania.

W próżni istnieje prąd elektryczny, podobny do przepływu elektronów z katody do anody. Jest stosowany w urządzeniach katodowych - lampach.

Prąd elektryczny w półprzewodnikach

Półprzewodniki zajmują pozycję pośrednią między przewodnikami a dielektrykami pod względem ich rezystywności.
Za istotną różnicę między półprzewodnikami a metalami można uznać zależność ich rezystywności od temperatury.
Wraz ze spadkiem temperatury rezystancja metali maleje, podczas gdy w przypadku półprzewodników wręcz przeciwnie, wzrasta.
Gdy temperatura dąży do zera bezwzględnego, metale stają się nadprzewodnikami, a półprzewodniki izolatorami.
Faktem jest, że przy zera absolutnym elektrony w półprzewodnikach będą zajęte tworzeniem wiązania kowalencyjnego między atomami sieci krystalicznej, aw idealnym przypadku nie będzie wolnych elektronów.
Wraz ze wzrostem temperatury część elektronów walencyjnych może otrzymać energię wystarczającą do rozerwania wiązań kowalencyjnych, aw krysztale pojawią się wolne elektrony, aw punktach pęknięcia powstaną wolne miejsca, zwane dziurami.
Wolne miejsce może zająć elektron walencyjny z sąsiedniej pary i dziura przesunie się w nowe miejsce w krysztale.
Gdy swobodny elektron napotka dziurę, następuje przywrócenie wiązania elektronicznego między atomami półprzewodnika i następuje proces odwrotny - rekombinacja.
Pary elektron-dziura mogą pojawiać się i rekombinować, gdy półprzewodnik jest oświetlany z powodu energii promieniowania elektromagnetycznego.
W przypadku braku pola elektrycznego elektrony i dziury uczestniczą w chaotycznym ruchu termicznym.
W polu elektrycznym w uporządkowanym ruchu biorą udział nie tylko utworzone swobodne elektrony, ale także dziury, które uważane są za cząstki naładowane dodatnio. Aktualny I w półprzewodniku składa się z elektroniki W i dziura Ip prądy.

Półprzewodniki są pierwiastki chemiczne, jak german, krzem, selen, tellur, arsen itp. Najpopularniejszym półprzewodnikiem w przyrodzie jest krzem.

Komentarze i sugestie są akceptowane i mile widziane!