Как ток течет в цепи: Электрический ток течет в цепи, состоящей из источника тока ,лампочки, ключа.При этом под

Электрическая цепь и электрический ток, что это такое, почему и как действуют. _v_

Тема: основы электрических цепей, что такое электроцепь, как течет  по ней ток.

Как вода течет по водопроводу (по трубам, через краны, фильтры, счетчики и т.д.), так же электричество течет по цепи (проводам, электрическим и  электронным компонентам, через штекера и гнезда и т.д.). Электричество является одной из нескольких видов энергии, которая при своем течении может высвобождать свет, тепло, звук, радиоволны, механические движения, электромагнитные поля и т.д. Взять любую электротехнику (компьютер, мобильный телефон, электропечь, телевизор и т.д.), вся она содержит в себе электрические схемы, состоящие из различных электрических цепей, по которым течет ток, и на которых присутствует напряжение определенной величины и полярности.

Давайте более подробно разберем, что же собой представляет электрическая цепь, как именно по ней бежит ток. Итак, электрический ток — это упорядоченное движение электрических заряженных частиц. Напомню, что в твердых телах носителями электрического заряда являются электроны (частицы имеющие отрицательный заряд, он же минус). В жидкостях и газах носителями электрического заряда являются ионы (атомы и молекулы, у которых имеется недостаток электронов на своих орбитах, и имеющие положительный заряд, он же плюс). Чаще всего приходится иметь дело именно с движением электронов по электрической цепи именно в твердотельных проводниках (это металлы, кристаллы).

Электрическая цепь это некий замкнутый путь, по которому течет ток, бегут электрически заряженные частицы. Само перемещение этих частиц можно представить следующим образом. Как вам должно быть известно из уроков по физике все вещества состоят из атомов и молекул (мельчайшая частица самого вещества, его структурная составляющая). В твердых состояниях вещества атомы выстроены в определенном порядке, имеют так называемую кристаллическую решетку. У некоторых веществ электроны, что наиболее удалены от центра атома, могут легко отрываться от своего атома и переходить к соседнему. Так получается движение заряженных частиц внутри самого вещества. Такие вещества являются проводниками электрического тока. Одни это делают хорошо, другие хуже (проводят ток).

Если же взять такое вещество как медь (металл), который достаточно хорошо проводит через себя электричество и сделать из нее проволоку, то в итоге мы получим проводник электрического тока определенной длины. Еще нужен источник тока, который в зависимости от своего принципа действия может на одном своем полюсе создавать переизбыток отрицательного заряда, а на другом — положительного (он же недостаток отрицательного). Чтобы пошел ток нужен как бы мостик, соединяющий эти самые противоположные полюса. В роли этого моста, для перехода электрического заряда с одного полюса на другой, и будет выступать замкнутая электрическая цепь, состоящая из различных проводников.

К примеру, мы просто обычной медной проволокой соединим полюса источника питания. В итоге через проволоку потечет ток (тот самый переизбыток электрических зарядов). Это будет, пожалуй, самой простой электрической цепью, которая может только создавать короткое замыкание этого самого источника питания. Но все же это электрическая цепь. Более полезной электроцепью будет такая схема — источник питания (обычная батарейка), провода, переключатель и лампочка (рассчитанная на напряжение источника питания). Когда мы все это соединим друг за другом (последовательно) мы уже получим электрическую цепь, где течение тока будет приносить пользу в виде излучения света электрической лампочкой.

Естественно, подобными простыми электрическими цепями электротехника не ограничивается. Если правильно подключать различные электрические и электронные компоненты между собой, подсоединяя к ним источник питания, создавая различные функциональные схемы, можно в итоге получать все то разнообразие электроустройств, которое мы сейчас имеем. И все они имеют различные по сложности электрические цепи. Любая электрическая цепь имеет смысл лишь в двух случаях — когда она правильно собрана (будет конечное, функциональное устройство) и когда к ней подсоединено электрическое питание (без него любая схема не имеет смысла, это лишь кучка различного материала).

Видео по этой теме:

P.S. Электрические цепи это всего лишь пути, по которым течет электрический ток в виде заряженных частиц. Любая цепь должна быть электрически замкнута, только в этом случае она будет функционировать (ну если конечно сама схема собрана правильно). Только при верном течении и распределении электрической энергии внутри схемы, по электрическим цепям, то или иное устройство может выдавать конечный, функциональный результат. Неправильное течение и распределение тока по цепям порождает поломку электротехники, что приводит к отсутствию нужной функциональности.

Как течет ток по проводнику. Как течет ток

В школе,
не помню уже в котором классе мне объяснили, что ток течёт от + к — . Т.е. если
между выводами батарейки (были такие – КБС) вставить лампочку, то ток пройдёт по
плюсовой клемме батарейки, затем через лампочку, она загорится и по минусовой
клемме уйдёт в батарейку. Через пару лет учитель физики объяснил, что
направление тока от + к — условно. Фактически ток – это движение электрических
зарядов, из коих двигаться по проводу могут только свободные электроны. Т.е. ток
течёт от – к + .

Необходимым условием появления тока является замкнутость цепи. В то время я уже
осваивал 6П3С, подключённую к аноду выходной лампы вещательного приёмника, и в
этом постулате нисколько не сомневался. Особенно после пары ударов этим током.

Дни
бегут, складываются в года. Пошли первые проявления старческого маразма и видимо
от этого что-то засомневался я в приобретённых школьных знаниях.

Вот
имеем источник тока и замкнутую цепь с нагрузкой. Выбежал, неважно с какой
клеммы, розовощёкий, уверенный в своих силах ток и помчался к нагрузке.
Поборолся с ней, так как просто так отдаваться она не хотела и сопротивлялась,
но ток сделал своё дело, правда отдал нагрузке часть своей энергии и потный и
слегка бледный прибежал на вторую клемму источника.

Вроде бы
реальная картина, закон сохранения энергии выполняется, только на проверку –
фантастика! Проверка очень простая: вставим в цепь до нагрузки и после оной по
амперметру. И что они показывают? А то, что величина тока до и после соития с
нагрузкой ОДИНАКОВА!

Может ток
наш врун и дела с нагрузкой не имел, поэтому амперметры и показывают одинаковый
ток? Так нет же, если в качестве нагрузки была электролампочка, то мы видели
свет. Трата энергии несомненно была! Но как же быть с тем, что вытекающий ток
равен втекающему?

Чудны дела
твои, господи!

Опыт
N
2.

К каждой
клемме источника присоединяем по проводку и попробуем определить знак потенциала
на их концах. Поскольку ток это движение электронов, то вследствие емкости
проводка и разности потенциалов между клеммой и проводом электроны побегут в
провод и на его конце, подключенного к отрицательной клемме, мы обнаружим
отрицательные заряды.

Из этого же
определения тока следует, что на конце проводника, подключённого к положительной
клемме, никаких зарядов не будет. Однако они там обнаруживаются. Причём
положительные.

Стоп!
Положительные по проводу не бегают! Откуда же они там взялись?

«А
просто — говорят знающие люди — Источник отдал в провод часть электронов и
недостачу восполнил, забрав такое же количество из другого провода. Поскольку в
этом проводе образовалась нехватка электронов, то он «зарядился» положительно.
Источник тока – это насос, перекачивающий электроны».

Вроде
нормальное объяснение.

Стоп.
Во-первых, количество свободных электронов не бесконечно, например, для медного
проводника один свободный электрон приходится примерно на полтора-два миллиона
атомов (1), а величина тока при КЗ о-го-го! Во-вторых, если к проводкам
подключена нагрузка, а источник тока, по сути, является насосом (почему его
тогда называют источником?), то энергия вытекающего тока должна быть больше
энергии втекающего, так как что-то должно же рассеяться на нагрузке. А токи в
проводниках равны по величине. (Второй раз о Создателе всуе не упоминаем).

Так как
же течёт ток???

Что от плюса к минусу, что от минуса к плюсу – одна и та
же проблема…

Чтобы
как-то разобраться в ней логично начать с определений. В общепринятом понимании
ток рассматривается как движение
электрических зарядов. Это движение
вызывается электродвижущей силой источника тока или разностью потенциалов при
движении электрических зарядов по проводнику с заряженного объекта на
незаряженный. Но нас интересует не движение зарядов, а то, как они переносят
энергию.

Здесь
общеприняты две модели. В первой электроны (носители зарядов) рассматриваются
как «шарики», разгоняемые эдс или разностью потенциалов. Т.е., чем сильнее мы их
разгоняем, тем больше энергии они приобретают. При встрече с нагрузкой «шарики»
тормозятся, отдают ей часть энергии и естественно количество «шариков»,
проходящих в единицу времени через сечение проводника уменьшается. Во второй
модели заряд является энергетическим образованием. Проходя через нагрузку, часть
зарядов передаёт ей энергию и исчезает. В результате, величина токов в ветвях
цепи неодинакова.

Противоречие между опытом и законом сохранения энергии остаётся. Либо в
«консерватории» что-то надо подправить, либо мы чего-то недопонимаем.

Тем
радиолюбителям, у которых эти логичные рассуждения вызывают протест, напомню, по
крайней мере, два известных им факта.

1. Величина КСВ в начале фидера меньше, чем на входе нагрузки, им питаемой.

2. Амплитуда стоячих волн тока в LW или в вибраторе, запитанном посредине,
длинной несколько λ, уменьшается от точки запитки к концу провода.

Известно объяснение этих фактов: потери током своей
энергии при движении зарядов по проводнику.

Обратим
внимание на нестыковки некоторых известных положений.

1. Скорость свободных электронов по проводнику не совпадает со скоростью
распространения в нём тока.

2. Школьный электроскоп можно зарядить положительными зарядами. Если рядом с ним
поставить незаряженный электроскоп и соединить их проводником, то в нём
возникает кратковременный зарядный ток второго электроскопа. Т.е. по проводнику
перетекли ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ заряды. Что является их носителем?

3. Если в
цепи постоянного тока включить два источника встречно, то каждый из них будет
нагрузкой для другого, а ток в цепи будет иметь разностную величину. При
переменном токе в случае его встречи с волновой неоднородностью цепи возникает
отраженная токовая волна. Эта волна тока двигается навстречу основной и
токи не противодействуют друг другу
. Словно не замечают друг друга.

Следует честно признать, что мы не знаем, что такое
электрический ток!

В
общепринятой теории электрического тока указывается, что прежде тока в проводе
распространяется электрическое поле, без которого движение зарядов немыслимо.
Т.е. в приведенном Опыте N
2 по одному из проводников
распространяется поле положительного потенциала, а по другому – отрицательного.

Есть предположение, что сами заряды являются
безинерциальными (2). Можно предположить, что они являются энергетическими
«сгустками» продольного электрического поля и поэтому в виде токовых волн могут
распространяться от клеммы источника тока со скоростью поля в данной среде. Если
проводники замкнуть на нагрузку, то каждая токовая волна отдаст ей часть своей
энергии, а величина тока во «входящей» и «исходящей» ветвях цепи будет равна
сумме величин токов истекающего из данной клеммы и истекшего с другой клеммы и
прошедшего через нагрузку. Амперметры покажут одинаковый ток! Таким образом,
закон сохранения энергии при равенстве токов во входящей и исходящей ветвях
нагрузки СОХРАНЯЕТСЯ! А источник тока соответствует своему названию: ТОК
ИСТЕКАЕТ ИЗ ОБЕИХ КЛЕММ!

Фантастика? Ничуть. Есть практические подтверждения этого предположения, хотя
сами заряды гипотетичны.

Рассмотрим некоторые процессы в длинных фидерных линиях. Чтобы «примирить»
скорость свободных электронов с фактической скоростью распространения энергии в
линии, предположили, что энергия переносится ТЕМ-волной. Чтобы такая волна
образовалась, в начале линии необходимо согласно Пойтингу, чтобы вектор
магнитного поля был перпендикулярен плоскости, проходящей через два провода
линии, а вектор электрического поля лежал в этой плоскости и был направлен от
одного провода к другому. Первое условие выполняется при разном направлении
токов в соседних проводах. Вариант «электронного насоса» успешно с этим
справляется. А вот второе условие требует наличие в соседних проводах
РАЗНОПОЛЯРНЫХ ЗАРЯДОВ!

Выполнить это условие «насос» не в состоянии. А вот безинерциальные заряды –
вполне. Достаточно вспомнить, что направление движение тока принято условно.
Если движение положительных зарядов от клеммы источника к нагрузке принимается
за направление тока от клеммы, то движение отрицательных зарядов от клеммы к
нагрузке принимается за направление тока к клемме.

Т.е. при истечении
тока с обеих клемм выполняются оба условия образования ТЕМ-волны. УСЛОВНОСТЬ
НАПРАВЛЕНИЯ ТОКА СОЗДАЁТ ИЛЛЮЗИЮ ВЫТЕКАНИЯ ТОКА ИЗ ОДНОЙ КЛЕММЫ И ВТЕКАНИЯ ЕГО В
ДРУГУЮ!

Не
счесть, сколько заблуждений породила эта иллюзия. Но об этом позже.

Ещё один
пример, подтверждающий предположение об истечении тока с обеих клемм – линия,
замкнутая на конце, или более реальный пример – петлевая, рамочная антенна. Как
известно из практики на конце линии или ровно посредине периметра рамки
образуется пучность тока, величина которой без учёта потерь в линии или антенне
равна удвоенной величине падающей волны тока. Попробуйте объяснить происхождение
этой пучности тока без его истечения с обеих клемм? Не получится!

Всё
изложенное не является моей выдумкой. Всё это в виде отдельных фрагментов
приводится в учебниках. Например, понятие токовых волн встречается у
Белоцерковского Б.Г. (3) в XI разделе. А Д.П.Линде (4) на стр. 17 приводит
рисунок, иллюстрирующий эти самые токовые волны с движением в них положительных
и отрицательных зарядов. Только авторы учебников не любят акцентировать внимание
на нестыковках отдельных положений теории электрического тока и, рисуя радужную
картину общего познания мироздания, скрывают от неокрепшего ума мысль, что Наука
знает, что она ещё больше не знает!

Подведём
итог. Скорее всего, носителями энергии кроме электронов и ионов являются
энергетические образования, родственные электрическому полю. Переменный ток в
виде токовых волн вытекает из обеих клемм источника и не нуждается в отличие от
постоянного в гальванической замкнутости цепи. Постоянный ток можно представить
как переменный с очень большим периодом колебания. Особенности тока,
малозаметные при постоянном токе, весьма рельефны при переменном. Особенно с
ростом его частоты.

Как
только в руках радиолюбителей оказались моделировщики, они сразу бросились
проверять с их помощью известные классические антенны и их системы. И некоторые
результаты вызвали шок!

Например, оказалось, что во входном сопротивлении полуволнового вибратора,
питаемого в разрыв полотна, при сдвиге точки питания из центра появляется
реактивность. Откуда? Ведь вибратор имеет резонансную длину! А резонанс – он и в
Африке резонанс! Именно он, как уверены многие, обеспечивает эффективную работу
антенны!

Это
заблуждение проистекает из модели тока, вытекающего с одной клеммы источника и
втекающего в другую, что предполагает замкнутость цепи. Если же цепь
гальванически не замкнута, то роль «замыкателя» отводится конденсатору, точнее –
токам смещения «протекающим» в нём. На этой основе родилось убеждение, что
антенн без противовеса не бывает. Ищите и обрящете! И если вы не видите
«суслика», то он всё равно обязательно существует!

Например, И.В.Гончаренко (5) утверждает, что полуволновой вибратор, запитанный с
конца, не работает без хотя бы маленького противовеса. В крайнем случае,
противовесом выступает один из проводов линии питания. А если фидера нет и
антенна питается напрямую? Всё равно «суслик» обязан быть!

У
J-антенны противовесом считается четвертьволновой шлейф. У антенны RX3AKT –
внешняя поверхность кабеля, из которого выполнен шлейф. Ну, а больше всего в
ступор вводит Антенна Фукса, в которой автор всеми известными способами
«отвязал» вибратор от источника питания.

Ещё более парадоксальная ситуация сложилась с GP. Казалось
бы, всё понятно, вот вертикальный излучатель, а вот противовесы, собирающие
токи смещения. Но любопытные радиолюбители, играя с моделировщиком, обнаружили
(хотя это было известно и ранее, например, при описании работы квадрата в
источниках доммановской эры), что соосно расположенные противовесы практически
не излучают, следовательно, и не принимают!

Ну, лень
нам изучать основы электротехники! Конденсатор – это устройство для накопления
энергии! Не будем заморачиваться с тем, существует или нет ток смещения,
отметим, что в этом устройстве по идее ни грамма энергии с одной обкладки через
диэлектрик не переносится на другую обкладку. Не существует тока через
конденсатор, существуют токи его заряда и разряда, которые текут на обкладку и с
неё ПО ОДНОМУ и тому же проводу. И только для упрощения расчётов электрических
цепей ток проводимости принимается равным по величине току смещения, «текущему»
через конденсатор.

В предлагаемой модели тока эти нестыковки не возникают.
Например:

Диполь со смещением точки запитки из центра

В короткую и длинную части вибратора из источника или из
фидера втекают прямые (падающие) токовые волны. Достигнув концов, они отражаются
и текут к точке питания, образуя в суперпозиции стоячие волны тока. Но в точку
питания обратные (отраженные) волны приходят не одновременно. Поэтому величины
стоячих волн тока на клеммах источника (фидера) в общем случае не равны и не
совпадают по фазе. Следовательно, напряжение и ток на клеммах источника не
синфазны, что является свойством реактивной нагрузки. Мера противодействия –
гальваническая развязка вибратора от источника, линии питания.

GP

Та же картина, что и в диполе. Токи втекают в вибратор
и противовесы. Стоячие волны тока образуют переменное электрическое поле между
вибратором и противовесами. В случае неравенства их длин во входном
сопротивлении появляется реактивность.

Полуволновой вибратор, питаемый с конца

Предположим, что питание вибратора осуществляется с
помощью линии питания. Втекающий ток и отраженный от неподключённого конца
вибратора образуют стоячую полуволну тока. Поскольку токи теряют часть энергии
на излучение и преодоление активного сопротивления провода, ток в точке питания
не равен нулю. В проводах фидера также образуются стоячие волны тока и
напряжения. Поскольку вибратор излучает часть подведенной энергии, то энергия
стоячих волн в проводах линии будет разной. В проводе линии, подключённом к
вибратору, амплитуда тока стоячей волны будет меньше, а в неподключённом проводе
линии будет больше. Для выравнивания токов в линии применяется два способа.
Между антенной и линией ставится буферный накопитель энергии – резонатор в виде
параллельного контура или четвертьволнового шлейфа. Второй способ –
гальваническая развязка с помощью трансформатора. У Антенны Фукса применены оба
способа.

Истекание тока с обеих клемм источника позволяет по-новому взглянуть на работу и
самого источника. В любом проводе, подключённом к клемме, течёт ток. Если к
«положительной» клемме, как правило, подключается один провод: антенна или
центральная жила кабеля, то к другой подключён корпус радиостанции и провод
заземления. Т.е. величины падающих волн токов в центральной жиле и оплётке
кабеля в принципе не равны и следует принять меры по их выравниванию.

Как правило, колебательная система (КС) усилителя
мощности радиостанции представляет собой параллельное включение индуктивности и
емкости, концы которых подсоединены к соответствующим выходным клеммам. На
каждом из них происходит сложение двух сил: электродвижущей силы, посылающего
заряды в нагрузку, и силы притяжения зарядов на обкладках конденсатора. Эдс,
конечно, сильнее. Но если не обеспечить приблизительное равенство величин
исходящих токов с обоих концов контура, то количество зарядов на одной из
обкладок вырастет, и сила их притяжения не позволит зарядам другой обкладки
покинуть её. В этом случае КС выйдет из резонанса, а, в крайнем случае,
откажется питать нагрузку. Интересный опыт описал Е.Кузнецов (RA
1AIT
)
(6). Работая с Антенной Фукса мощностью до 5 Вт, он обнаружил, что при
подключении антенны к роторным пластинам переменного конденсатора она
переставала работать. При подключении же к статорным пластинам неоновая
лампочка, поднесённая к корпусу конденсатора, ярко сияла. Т.е. емкости корпуса
конденсатора было достаточно для размещения в ней количества зарядов равного
количеству зарядов, ушедших в вибратор.

Понимая,
что данная статья вызовет неоднозначную реакцию, закончу словами великого поэта:
«О, сколько нам открытий чудных готовит просвещенья Дух. И опыт – сын ошибок
трудных. И …»

Всем удачи. 73!

Литература.

А.А.Гришаев.

Металлы: нестационарные химические связи и два механизма переноса электричества

Вопрос о том, что такое электрический ток, интересует даже маленьких детей. Их с детства пугают страшными розетками, которые могут ударить. Но даже многие взрослые не понимают, в каком направлении течет ток и каким образом. Давайте в этой статье и попробуем в этом разобраться.

Электрический ток

Сначала давайте поймем, что же это такое – электрический ток. В состав молекул входят элементарные, отрицательно заряженные частицы. Они называются электроны. Током называется их направленное движение. В том или ином материале имеются свободные электроны. Их наличие определяет его электропроводность.

Напряжение – это разность потенциалов. Направленное движение электронов возникает при ее наличии. При отсутствии разности потенциалов свободные электроны будут находиться в покое, и электрический ток идти не будет. Но, как только к материалу будет подключено напряжение, они начнут свое движение. Электроны будут отталкиваться от минуса, и двигаться в сторону плюса. Поэтому, отвечая на вопрос, как течет ток в проводнике, мы говорим – от минуса к плюсу. Это движение и будет носить название электрического тока.

Проще говоря, пока электрический прибор не будет включен в цепь, то есть до тех пор, пока в нем не возникнет разность потенциалов, ток в нем течь не будет. По этому принципу все проводники электричества и работают. Но, в таких материалах, как резина, дерево, стекло и многих других, свободные электроны отсутствуют. Даже при подключении к ним напряжения, ток они проводить не будут.

Теперь на вопросы ваших детей о том, как течет ток, вы будете знать, что ответить. Не забудьте им напомнить, что с электроприборами следует быть осторожными.

Ы уже знаем, что в металлах есть свободные элек­троны и что они движутся совершенно беспорядочно. Однако это движение можно отчасти упорядочить: с по­мощью электрического поля можно заставить свобод­ные электроны течь по металлу общим потоком в нуж­ном направлении, то-есть получить электрический ток.

Есть простой опыт, доказывающий, что ток в метал­лах — это действительно поток электронов, а не поло­жительных зарядов. Этот опыт впервые поставили со­ветские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папа— лекси.

Чтобы лучше разобраться в этом интересном опыте, рассмотрим сначала такой пример. Возьмём стакан с водой, подвесим его на нити и, закрутив нить, заставим стакан вращаться. Постепенно вода начинает вращаться вместе со стаканом. Если теперь внезапно остановить стакан, то вода ещё некоторое время будет двигаться по инерции.

Простая идея этого опыта была использована Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Мы опишем этот опыт очень упрощённо. Представим себе металли­ческое кольцо, вблизи которого подвешена лёгкая ма­гнитная стрелка (рис. 14). Известно, что электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле. Физики давно уже изучили действие этого поля на магнитную стрелку. Если бы по направлению, отмеченному на рисунке 14 стрелочками, по кольцу текли отрицательные заряды, то магнитная стрелка повернулась бы к кольцу южным
полюсом, а если положительные — то северным. Таким образом магнитная стрелка может указать, какие заряды и в каком направлении движутся по кольцу.

Приведём кольцо в быстрое вращение в том направ­лении, которое указано стрелками. Вместе с кольцом вращаются и положительные и отрицательные заряды, заключённые в металле, то-есть и свободные электроны и

«ионный скелет» ме — ЛУ /гУ/гУМ/N(Ш/ талла. При этом дей­ствие зарядов на стрелку взаимно пога— сится. Стрелка оста­нется неподвижной.

Теперь резко оста­новим кольцо. При этом остановится «ион­ный скелет» металла, а свободные электроны будут некоторое время двигаться по инерции в прежнем направлении, так же, как вода в опыте с вращающимся Рис. 14. Схема опыта Л. И. Ман — стаканом. Это значит, дельштама и Н. Д. Папалекси. что появится электри­ческий ток. Стрелка должна повернуться к кольцу южным полюсом (рис. 14).

Опыт Мандельштама и Папалекси подтвердил это предположение. Таким образом было окончательно до­казано, что свободу движения в металле имеют отрица­тельные заряды и ток в металле — это поток электронов.

Между электрическим током в проводе и потоком воды в трубе есть большое сходство, которым можно вос­пользоваться, чтобы лучше понять, как ток течет по про­воду. Представим себе течение воды не в пустой трубе, а в трубе, плотно заполненной камнями. Камни поло­жены так тесно один к другому, что составляют как бы одно целое со стенками трубы, образуя настоящий «ка­менный скелет» в трубе. Промежутки между камнями заполнены водой (рис. 15).

Пока кран закрыт, напора воды нет и вода не течёт. Быстрым поворотом крана создадим напор. Он распро—
странится по трубе, конечно, не мгновенно, но всё же с большой скоростью — около одного километра в секунду. Значит, если труба не очень длинна, то почти сразу вода потечёт по всей трубе.

Отдельные молекулы воды всегда находятся в непре­рывном и беспорядочном движении. В потоке воды бес­порядочное движение, при котором каждая молекула движется сама по себе, вовсе не прекратится. Но это совершенно не мешает воде всей массой, общим потоком, течь по трубе. Сравнение молекул с роем мошек при­годно и здесь. Если рой мошек уносится потянувшим

Шт

Рис. 15. Поток электронов в проводе подобен течению воды в за­полненной камнями трубе.

Ветерком, беспорядочное движение отдельных мошек не прекращается, а весь рой целиком летит по ветру.

Вода течёт между камнями, преодолевая трение. А там, где есть трение, выделяется тепло. Нагревание сделается вполне заметным, если по трубе пройдёт много воды под большим напором.

Поток электронов в проводнике очень похож на по­ток воды в трубе. Представим себе вместо молекул воды свободные электроны, а вместо «каменного ске­лета» в трубе «скелет» из ионов металла. Электроны, как и молекулы воды, текут по проводу общим потоком, не прекращая при этом своего беспорядочного движения.

Движение электронного потока не проходит бесследно для провода. Между ионами и электронами тоже со­здаётся своего рода «трение», которое носит название электрического сопротивления. Следствием
«трения» между электронным потоком и ионами яв­ляется непрерывное выделение тепла в проводнике. На­гревание проводников током применяется буквально на каждом шагу: в самых отдалённых уголках нашей стра­ны светит «лампочка Ильича»; миллионы людей поль­зуются электроплитками, чайниками и утюгами; нет ни одною завода или лаборатории, где бы не было самых различных электропечей.

Вода по трубе течёт под напором. Это значит, что во всём объёме воды по всей трубе действует сила, подго­няющая молекулы воды. Но как создать силу, движущую свободные электроны по проводу? Как осуществить «электрический напор»?

Вообразим, что мы сумели создать на концах куска провода два слоя зарядов разных знаков. Например, «сняли» с левого конца провода некоторое количество свободных электронов и «перенесли» их на правый конец. Тогда между слоями зарядов разных знаков внутри про­вода получится электрическое поле такое же, как на рисунке И. На каждый электрон будет действовать сила, толкающая его к положительному слою. Все электроны двинутся справа налево, то-есть в проводе потечёт элек­трический ток. Можно сказать, что мы получили в про­воде электрический напор. Электротехники и физики на­зывают его напряжением.

Но что же будет дальше? Электроны войдут в поло­жительный слой и нейтрализуют его заряд. Напряжение исчезнет, и ток прекратится. Следовательно, для полу­чения постоянного, не прерывающегося тока в проводе нужно всё время поддерживать существование электри­ческого поля, придумать что-то вроде непрерывно дей­ствующего «электронного насоса», перекачивающего электроны с одного конца провода на другой.

В действительности роль «электронного насоса» исполняют гальванические элементы, аккумуляторы и динамомашины.

Особенно большое значение в технике имеют динамо- машины. Действие всех динамомашин основано на одном замечательном явлении: когда металлический провод

Движется поперёк магнитных силовых линий, в нём воз­никает ток. Как это происходит? Чтобы ответить на это, рассмотрим упрощённую модель динамомашины.

На рисунке 16 между полюсами магнита по двум ме­таллическим лентам движется отрезок провода (он обозна­чен буквами ЛБ). Сам он двигаться, конечно, не будет, его нужно двигать рукой; но и якорь, вращающаяся часть настоящей динамомашины, движется не сам — его вращает турбина или какой-нибудь другой двигатель.

К лентам присоединена лампочка, так что электрическая цепь всё время замкнута. В отрезке провода, как и во всяком куске металла, находятся электроны, которые движутся вместе с проводом под прямым углом к сило­вым магнитным линиям (направление движения отме­чено стрелкой).

Как мы уже знаем, направление движения электро­нов, направление силовых линий и направление силы, действующей на электроны, всегда взаимно перпендику­лярны. Значит, на электроны будут действовать силы, отмеченные на рисунке маленькими стрелками. Они го­нят электроны вдоль провода от Б к А. Электронам, на­капливающимся в А, открыт путь через лампочку. По этому пути они и устремятся. Когда отрезок провода дойдёт до края магнитного поля (на рисунке это поло­жение провода отмечено пунктиром), ток прекратится. Чтобы этого не случилось, нужно сразу же двинуть от­резок провода обратно. При этом ток, конечно, изменит направление, но лампочка гореть не перестанет, потому что тепло в проводнике выделяется независимо от на­правления тока. Если двигать отрезок провода АБ впе­рёд и назад между двумя крайними положениями, то через лампочку будет течь ток, меняющий своё направ­ление. На языке электротехники ток, меняющий своё направление, носит название «переменного тока».

В настоящих динамомашинах провода вращаются в магнитном поле. При этом также получается переменный, ток. Если нужно получить ток постоянного направления, переменный ток с помощью особых устройств «выпрям­ляют».

Таким образом, в динамомашине «электронным на­сосом» служит магнитное поле. Оно всё время пере­гоняет электроны от Б к А, и на концах отрезка, которые называются полюсами, всё время накапливаются заряды разных знаков. Значит, в проводах «внешней цепи» всё время будет действовать электрическое поле, будет су­ществовать «электрический напор».

Теперь посмотрим на рисунок 17. Он очень похож на рисунок 16. Разница только в том, что в цепь вместо лампочки включена батарея. Она гонит электроны по куску провода, лежащему на пластинах, в направлении, отмеченном на рисунке маленькими стрелками. Это на­правление перпендикулярно к магнитным силовым линиям. Значит, на каждый электрон будет действовать сила, направленная под прямым углом как к силовым линиям, так и к направлению движения электронов. Эти силы также показаны на рисунке стрелками. Электроны не могут вырваться из проводника. Этому, как мы знаем, препятствуют силы притяжения ионов металла. Но ма­ленькие силы, действующие на каждый электрон, в сумме дадут вполне заметную силу, которая увлечёт с собой весь провод и будет перемещать его по пластинкам.

Движение провода, по которому идёт ток, в магнит­ном поле используется в электромоторах.

Остаётся ещё один вопрос: через сколько времени

После того, как динамомашина пущена в ход (то-есть двинулся с места провод АБ на ри­сунке 16), загорится в цепи лампочка?

Заряды на полю­сах динамомашин со­здают в присоеди­нённом к ним про­воднике электриче­ское поле. Провод­ник может быть очень длинным и разветвлённым; та­кова, например, го­родская электросеть.

Но электрическое поле распространяет­ся с огромной скоро­стью. Эта скорость равна 300 ООО кило­метров в секунду.

Поэтому во всей сети — будь она дли­ной ХОТЬ В СОТНИ КИ-1

Лометров — элек­трическое поле по­явится мгновенно: сразу во всех прово­дах, во всех лам­почках и моторах свободные электроны начнут двигаться туда, куда гонит поле; сразу загорятся лампочки, зара­ботают моторы и т. д.

Не надо думать, что поток электронов в проводе те­чёт с той же огромной скоростью, с какой распростра­няется вдоль провода электрическое поле. Скорость по­тока электронов (не путать со скоростью беспорядочного движения отдельных электронов!), вообще говоря, зави­сит от напряжения — «электрического напора» (так же,
как скорость воды в трубе зависит от напора воды). Эта скорость невелика. Например, в светящейся нити элек­трической лампочки путь, проходимый электронным по­током за одну секунду, измеряется миллиметрами.

Итак, практическое использование электричества ос­новано, прежде всего, на том, что в металлах есть сво­бодные электроны, которыми мы можем легко управлять с помощью электрического поля.

Электронный поток в проводе можно в некотором от­ношении сравнить с поездом, движение которого направ­ляется рельсами. Машинист не нуждается в руле; его единственная забота — ускорять или тормозить поезд. Провод для электронного потока то же, что и рельсовый путь для поезда. Электроны в обычных условиях не мо­гут выйти из проводника. Нужно только создать необхо­димое напряжение на концах, и по проводнику любой формы потечёт ток.

Когда не течет ток по конденсатору. Электрический конденсатор. Виды конденсаторов. Как устроен электрический конденсатор

Это легко подтвердить опытами. Можно зажечь лампочку, присоединив ее к сети переменного тока через конденсатор. Громкоговоритель или телефонные трубки будут продолжать работать, если их присоединить к приемнику не непосредственно, а через конденсатор.

Конденсатор представляет собой две или несколько металлических пластин, разделенных диэлектриком. Этим диэлектриком чаще всего бывает слюда, воздух или керамика, являющиеся наилучшими изоляторами. Вполне естественно, что постоянный ток не может пройти через такой изолятор. Но почему же проходит через него переменный ток? Это кажется тем более странным, что такая же самая керамика в виде, например, фарфоровых роликов прекрасно изолирует провода переменного тока, а слюда прекрасно выполняет функции изолятора в ах, электроутюгах и других нагревательных приборах, исправно работающих от переменного тока.

Посредством некоторых опытов мы могли бы «доказать» еще более странный факт: если в конденсаторе заменить диэлектрик со сравнительно плохими изоляционными свойствами другим диэлектриком, который является лучшим изолятором, то свойства конденсатора изменятся так, что прохождение переменного тока через конденсатор будет не затруднено, а, наоборот, облегчено. Например, если включить лампочку в цепь переменного тока через конденсатор с бумажным диэлектриком и затем заменить бумагу таким прекрасным изолятором; как стекло или фарфор такой же толщины, то лампочка начнет гореть ярче. Подобный опыт позволит прийти к заключению, что переменный ток не только проходят через конденсатор, но что он к тому же проходит тем легче, чем лучшим изолятором является его диэлектрик.

Однако, несмотря на всю кажущуюся убедительность подобных опытов, электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Диэлектрик, разделяющий пластины конденсатора, служит надежной преградой на пути тока, каким бы он ни был — переменным или постоянным. Но это еще не означает, что тока не будет и во всей той цепи, в которую включен конденсатор.

Конденсатор обладает определенным физическим свойством, которое мы называем емкостью. Это свойство состоит в способности накапливать на обкладках электрические заряды. Источник электрического тока можно грубо уподобить насосу, перекачивающему в цепи электрические заряды. Если ток постоянный, то электрические заряды перекачиваются все время в одну сторону.

Как же будет вести себя в цепи постоянного тока конденсатор?

Наш «электрический насос» будет качать заряды на одну его обкладку и откачивать их с другой обкладки. Способность конденсатора удерживать на своих обкладках (пластинах) определенную разницу количества зарядов и называется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше электрических зарядов может быть на одной обкладке по сравнению с другой.

В момент включения тока конденсатор не заряжен — количество зарядов на его обкладках одинаково. Но вот ток включен. «Электрический насос» заработал. Он погнал заряды на одну обкладку и начал откачивать их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней начал протекать ток. Ток будет течь до тех пор, пока конденсатор не зарядится полностью. По достижении этого предела ток прекратится.

Следовательно, если в цепи постоянного тока есть конденсатор, то после ее замыкания ток в ней будет течь столько времени сколько нужно для полного заряда конденсатора.

Если сопротивление цепи, через которую заряжается конденсатор, сравнительно невелико, то время заряда оказывается очень коротким: оно длится ничтожные доли секунды, после чего течение тока прекращается.

Иное дело в цепи переменного тока. В этой цепи «насос» перекачивает электрические заряды то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора превышение количества зарядов по сравнению с количеством их на другой обкладке, насос начинает перекачивать их в обратно направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на присутствие не проводящего ток конденсатора, будет существовать ток — ток заряда и разряда конденсатора.

От чего будет зависеть величина этого тока?

Под величиной тока мы понимаем количество электрических зарядов, протекающих в единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем, больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется для его «заполнения», значит тем сильнее будет ток в цепи. Емкость конденсатора зависит от ве-, личины пластин, расстояния между ними и рода разделяющего их диэлектрика, его диэлектрической проницаемости. У фарфора диэлектрическая проницаемсклъ больше, чем у бумаги, поэтому при замене в конденсаторе бумаги фарфором ток в цепи увеличивается, хотя фарфор является лучшим изолятором, чем бумага.

Величина тока зависит также от его частоты. Чем выше частота, тем больше будет ток. Легко понять, почему это происходит, представив себе, что мы наполняем водой через трубку сосуд емкостью, например, 1 л и затем выкачиваем ее оттуда. Если этот процесс будет повторяться 1 раз в секунду, то по трубке в секунду будет проходить 2 л воды: 1 л в одну сторону и 1 л — в другую. процесса: будем наполнять и опорожнять сосуд 2 раза в секунду, то по трубке в секунду пройдет уже 4 л воды — увеличение частоты процесса при неизменной емкости сосуда привело к соответствующему увеличению количества воды, протекающей по трубке.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводк: электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Но в цепи, соединяющей источник переменного тока с конденсатором, течет ток заряда и разряда этого конденсатора. Чем больше емкость конденсатора и выше частота тока, тем сильнее будет этот ток.

Эта особенность переменного тока чрезвычайно широко используется в радиотехнике. На ней основано и излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует емкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.

На вопрос Почему конденсатор не пропускает постоянный ток, но зато пропускает переменный? заданный автором Sodd15 sodd
лучший ответ это Ток течёт только до тех пор, пока конденсатор заряжается.
В цепи постоянного тока конденсатор заряжается сравнительно быстро, после чего ток уменьшается и практически прекращается.
В цепи переменного тока конденсатор заряжается, затем напряжение меняет полярность, он начинает разряжаться, а потом заряжаться в обратную сторону, и т. д. — ток течёт постоянно.
Ну представьте себе банку, в которую можно налить воду только до тех пор, пока она не заполнится. Если напряжение постоянное, банка заполнится и после этого ток прекратится. А если напряжение переменное — вода в банку заливается — выливается — заливается и т. д.

Ответ от Просунуться
[новичек]
спасибо ребята за классную информацию!!!

Ответ от Avotara
[гуру]
Конденсатор не пропускает ток он может только заряжаться и разряжаться
На постоянном токе конденсатор заряжается 1 раз а дальше становится бесполезным в цепи.
На пульсирующем токе когда напряжение повышается он заряжается (накапливает в себе электрическую энергию) , а когда напряжение от максимального уровня начинает снижаться он возвращает энергию в сеть стабилизируя при этом напряжение.
На переменном токе когда напряжение возрастает от 0 к максимуму конденсатор заряжается, когда снижается от максимума до 0 разряжается возвращая энергию обратно в сеть, когда полярность меняется все происходит точно также но с другой полярностью.

Ответ от Вровень
[гуру]
Конденсатор на самом деле не пропускает сквозь себя ток. Конденсатор сначала накапливает на своих обкладках заряды — на одной обкладке избыток электронов, на другой недостаток — а потом отдает их, в результате во внешней цепи электроны бегают туда-сюда — с одной обкладки убегают, на вторую прибегают, потом обратно. То есть движение электронов туда-сюда во внешней цепи обеспечивается, в ней идет ток — но не внутри конденсатора.
Сколько электронов может принять обкладка конденсатора при напряжении, в один вольт, называется емкостью конденсатора, но ее обычно измеряют не в триллионах электронов, а в условных единицах емкости — фарадах (микрофарадах, пикофарадах).
Когда говорят, что ток идет через конденсатор, это просто упрощение. Все происходит так, как будто бы через конденсатор шел ток, хотя на самом деле ток идет только снаружи конденсатора.
Если углубляться в физику, то перераспределение энергии в поле между пластинами конденсатора называют током смещения в отличие от тока проводимости, представляющего собой перемещение зарядов, но ток смещения — это уже понятие из электродинамики, связанное с уравнениями Максвелла, совсем другой уровень абстракции.

Ответ от сосочек
[гуру]
в чисто физическом плане: конденсатор — есть развыв цепи, т. к. его прокладки не соприкасаются друг с другом, между ними диэлектрик. а как мы знаем диэлектрики не проводят электричесний ток. поэтому постоянный ток через него и не идёт.
хотя…
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора) , по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.
а для переменного тока конденсатор является частью колебательного контура. он играет роль накопителя электрической энергии и в сочетаниии с катушкой, они прекрасно сосуществуют, переобразовывая электрическую энегрию в магнитную и обратно со скоростью/частотой равной их собственной omega = 1/sqrt(C*L)
пример: такое явление как молния. думаю слышал. хотя плохой пример, там зарядка происходит через электризацию, изза трения атмосферного воздуха о поверхность земли. но пробой всегда как и в конденсаторе происходит только при достижении так называемого пробивного напряжения.
не знаю, помогло ли тебе это 🙂

Ответ от [email protected]
[новичек]
конденсатор работает как в переменном токе так и в постоянном, т. к. он заряжается на постоянном токе и не может никуда деть ту энергию, для этого в цепь соединяют через ключ обратную ветвь, для смены полярности, чтобы его разрядить и освободить место для новой порции, неа переменном на оборот, кандёр заряжается и разряжается за счет перемены полярностей….

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от , которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой — станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S — площадь пластин в квадратных метрах, d — расстояние между пластинами в метрах, C — емкость в фарадах, ε — диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или . Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод-лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC — цепочка, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки — тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают . Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда — разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор — ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый . По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе — изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье — .

Конденсатор в цепи переменного тока или постоянного, который нередко называется попросту кондёром, состоит из пары обкладок, покрытых слоем изоляции. Если на это устройство будет подаваться ток, оно будет получать заряд и сохранять его в себе некоторое время. Емкость его во многом зависит от промежутка между обкладками.

Конденсатор может быть выполнен по-разному, но суть работы и основные его элементы остаются неизменными в любом случае. Чтобы понять принцип работы, необходимо рассмотреть самую простую его модель.

У простейшего устройства имеются две обкладки: одна из них заряжена положительно, другая — наоборот, отрицательно. Заряды эти хоть и противоположны, но равны. Они притягиваются с определенной силой, которая зависит от расстояния. Чем ближе друг к другу располагаются обкладки, тем больше между ними сила притяжения. Благодаря этому притяжению заряженное устройство не разряжается.

Однако достаточно проложить какой-либо проводник между двумя обкладками и устройство мгновенно разрядится. Все электроны от отрицательно заряженной обкладки сразу же перейдут на положительно заряженную, в результате чего заряд уравняется. Иными словами, чтобы снять заряд с конденсатора, необходимо лишь замкнуть две его обкладки.

Электрические цепи бывают двух видов — постоянными
или переменными
. Все зависит от того, как в них протекает электроток. Устройства в этих цепях ведут себя по-разному.

Чтобы рассмотреть, как будет вести себя конденсатор в цепи постоянного тока, нужно:

1. Взять блок питания постоянного напряжения и определить значение напряжения. Например, «12 Вольт».
2. Установить лампочку, рассчитанную на такое же напряжение.
3. В сеть установить конденсатор.

Никакого эффекта не будет: лампочка так и не засветится, а если убрать из цепи конденсатор, то свет появится. Если устройство будет включено в сеть переменного тока, то она попросту не будет замыкаться, поэтому и никакой электроток здесь пройти не сможет. Постоянный — не способен проходить по сети, в которую включен конденсатор. Всему виной обкладки этого устройства, а точнее, диэлектрик, который разделяет эти обкладки.

Убедиться в отсутствии напряжения в сети постоянного электротока можно и другими способами. Подключать к сети можно, что угодно, главное, чтобы в цепь был включен источник постоянного электротока. Элементом же, который будет сигнализировать об отсутствии напряжения в сети или, наоборот, о его присутствии, также может быть любой электроприбор. Лучше всего для этих целей использовать лампочку: она будет светиться, если электроток есть, и не будет гореть при отсутствии напряжения в сети.

Можно сделать вывод, что конденсатор не способен проводить через себя постоянный ток, однако это заключение неправильное. На самом деле электроток сразу после подачи напряжения появляется, но мгновенно и исчезает. В этом случае он проходит в течение лишь нескольких долей секунды. Точная продолжительность зависит от того, насколько емким является устройство, но это, как правило, в расчет не берется.

Чтобы определить, будет ли проходить переменный электроток, необходимо устройство подключить в соответствующую цепь. Основным источником электроэнергии в таком случае должно являться устройство, генерирующее именно переменный электроток.

Постоянный электрический ток не идет через конденсатор, а вот переменный, наоборот, протекает, причем устройство постоянно оказывает сопротивление проходящему через него электротоку. Величина этого сопротивления связана с частотой. Зависимость здесь обратно пропорциональная: чем ниже частота, тем выше сопротивление. Если к источнику переменного электротока
подключить кондер, то наибольшее значение напряжения здесь будет зависеть от силы тока.

Убедиться в том, что конденсатор может проводить переменный электроток, наглядно поможет простейшая цепь, составленная из:

• Источника тока. Он должен быть переменным.
• Потребителя электротока. Лучше всего использовать лампу.

Однако стоит помнить об одном: лампа загорится лишь в том случае, если устройство имеет довольно большую емкость. Переменный ток оказывает на конденсатор такое влияние, что устройство начинает заряжаться и разряжаться. А ток, который проходит по сети во время перезарядки, повышает температуру нити накаливания лампы. В результате она и светится.

От емкости устройства, подключенного к сети переменного тока, во многом зависит электроток перезарядки. Зависимость прямо пропорциональная: чем большей емкостью обладает, тем больше величина, характеризующая силу тока перезарядки. Чтобы в этом убедиться, достаточно лишь повысить емкость. Сразу после этого лампа начнет светиться ярче, так как нити ее будут больше накалены. Как видно, конденсатор, который выступает в качестве одного из элементов цепи переменного тока, ведет себя иначе, нежели постоянный резистор.

При подключении конденсатора переменного тока начинают происходить более сложные процессы. Лучше их понять поможет такой инструмент, как вектор. Главная идея вектора в этом случае будет заключаться в том, что можно представить значение изменяющегося во времени сигнала как произведение комплексного сигнала, который является функцией оси, отображающей время и комплексного числа, которое, наоборот, не связано со временем.

Поскольку векторы представляются некоторой величиной и некоторым углом, начертить их можно в виде стрелки, которая вращается в координатной плоскости. Напряжение на устройстве немного отстает от тока, а оба вектора, которыми они обозначаются, вращаются на плоскости против часовых стрелок.

Конденсатор в сети переменного тока может периодически перезаряжаться: он то приобретает какой-то заряд, то, наоборот, отдает его. Это означает, что кондер и источник переменного электротока в сети постоянно обмениваются друг с другом электрической энергией. Такой вид электроэнергии в электротехнике носит название реактивной.

Конденсатор не позволяет проходить по сети постоянному электротоку. В таком случае он будет иметь сопротивление, приравнивающееся к бесконечности. Переменный же электроток способен проходить через это устройство. В этом случае сопротивление имеет конечное значение.

Постоянного напряжения и выставляем на его крокодилах напряжение в 12 Вольт. Лампочку тоже берем на 12 Вольт. Теперь между одним щупом блока питания и лампочки вставляем конденсатор:

Не-а, не горит.

А вот если напрямую сделать, то горит:

Отсюда напрашивается вывод: постоянный ток через конденсатор не течет!

Если честно, то в самый начальный момент подачи напряжения ток все-таки течет на доли секунды. Все зависит от емкости конденсатора.

Конденсатор в цепи переменного тока

Итак, чтобы узнать, течет ли переменный ток через конденсатор, нам нужен генератор переменного тока. Думаю, этот генератор частоты вполне сойдет:

Так как китайский генератор у меня очень слабенький, то мы вместо нагрузки-лампочки будем использовать простой на 100 Ом. Также возьмем и конденсатор емкостью в 1 микрофарад:

Спаиваем как-то вот так и подаем сигнал с генератора частоты:

Далее за дело берется . Что такое осциллограф и с чем его едят, читаем здесь . Будем использовать сразу два канала. На одном экране будут высвечиваться сразу два сигнала. Здесь на экранчике уже видны наводки от сети 220 Вольт. Не обращайте внимание.

Будем подавать переменное напряжение и смотреть сигналы, как говорят профессиональные электронщики, на входе и на выходе. Одновременно.

Все это будет выглядеть примерно вот так:

Итак, если у нас частота нулевая, то это значит постоянный ток. Постоянный ток, как мы уже видели, конденсатор не пропускает. С этим вроде бы разобрались. Но что будет, если подать синусоиду с частотой в 100 Герц?

На дисплее осциллографа я вывел такие параметры, как частота сигнала и его амплитуда: F

– это частота, Ma

– амплитуда (эти параметры пометил белой стрелочкой). Первый канал помечен красным цветом, а второй канал – желтым, для удобства восприятия.

Красная синусоида показывает сигнал, который выдает нам китайский генератор частоты. Желтая синусоида – это то, что мы уже получаем на нагрузке. В нашем случае нагрузкой является резистор. Ну вот, собственно, и все.

Как вы видите на осциллограмме выше, с генератора я подаю синусоидальный сигнал с частотой в 100 Герц и амплитудой в 2 Вольта. На резисторе мы уже видим сигнал с такой же частотой (желтый сигнал), но его амплитуда составляет каких-то 136 милливольт. Да еще и сигнал получился какой-то “лохматый”. Это связано с так называемыми “ “. Шум – это сигнал с маленькой амплитудой и беспорядочным изменением напряжения. Он может быть вызван самими радиоэлементами, а также это могут быть помехи, которые ловятся из окружающего пространства. Например очень хорошо “шумит” резистор. Значит “лохматость” сигнала – это сумма синусоиды и шума.

Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается влево, то есть опережает красный сигнал, или научным языком, появляется сдвиг фаз
. Опережает именно фаза, а не сам сигнал.
Если бы опережал сам сигнал, то у нас бы тогда получилось, что сигнал на резисторе появлялся бы по времени раньше, чем сигнал, поданный на него через конденсатор. Получилось бы какое-те перемещение во времени:-), что конечно же, невозможно.

Сдвиг фаз
– это разность между начальными фазами двух измеряемых величин
. В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота
. Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз
:

Давайте увеличим частоту на генераторе до 500 Герц

На резисторе уже получили 560 милливольта. Сдвиг фаз уменьшается.

Увеличиваем частоту до 1 КилоГерца

На выходе у нас уже 1 Вольт.

Ставим частоту 5 Килогерц

Амплитуда 1,84 Вольта и сдвиг фаз явно стает меньше

Увеличиваем до 10 Килогерц

Амплитуда уже почти такая же как и на входе. Сдвиг фаз менее заметен.

Ставим 100 Килогерц:

Сдвига фаз почти нет. Амплитуда почти такая же, как и на входе, то есть 2 Вольта.

Отсюда делаем глубокомысленные выводы:

Чем больше частота, тем меньшее сопротивление конденсатор оказывает переменному току. Сдвиг фаз убывает с увеличением частоты почти до нуля. На бесконечно низких частотах его величина составляет 90 градусов или
π/2

.

Если построить обрезок графика, то получится типа что-то этого:

По вертикали я отложил напряжение, по горизонтали – частоту.

Итак, мы с вами узнали, что сопротивление конденсатора зависит от частоты. Но только ли от частоты? Давайте возьмем конденсатор емкостью в 0,1 микрофарад, то есть номиналом в 10 раз меньше, чем предыдущий и снова прогоним по этим же частотам.

Смотрим и анализируем значения:

Внимательно сравните амплитудные значения желтого сигнала на одной и той же частоте, но с разными номиналами конденсатора. Например, на частоте в 100 Герц и номиналом конденсатора в 1 мкФ амплитуда желтого сигнала равнялась 136 милливольт, а на этой же самой частоте амплитуда желтого сигнала, но с конденсатором в 0,1 мкФ уже была 101 милливольт(в реальности еще меньше из за помех). На частоте 500 Герц – 560 милливольт и 106 милливольт соответственно, на частоте в 1 Килогерц – 1 Вольт и 136 милливольт и так далее.

Отсюда вывод напрашивается сам собой: при уменьшении номинала конденсатора его сопротивление стает больше.

С помощью физико-математических преобразований физики и математики вывели формулу для расчета сопротивления конденсатора. Прошу любить и жаловать:

где, Х С
– это сопротивление конденсатора, Ом

П –
постоянная и равняется приблизительно 3,14

F
– частота, измеряется в Герцах

С
– емкость, измеряется в Фарадах

Так вот, поставьте в эту формулу частоту в ноль Герц. Частота в ноль Герц – это и есть постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень большое сопротивление. Короче говоря, обрыв цепи.

Заключение

Забегая вперед, могу сказать, что в данном опыте мы получили (ФВЧ). С помощью простого конденсатора и резистора, применив где-нибудь в звуковой аппаратуре такой фильтр на динамик, в динамике мы будет слышать только писклявые высокие тона. А вот частоту баса как раз и заглушит такой фильтр. Зависимость сопротивления конденсатора от частоты очень широко используется в радиоэлектронике, особенно в различных фильтрах, где надо погасить одну частоту и пропустить другую.

Виды неисправностей в автомобильной электрической цепи

Существует всего лишь 4 способа повредить электрическую цепь.

Зная эти способы,  вы приблизитесь на шаг ближе к решению проблемы.

Легко понять ваш испуг, когда вам поставлена задача решить проблему в электрике старенького автомобиля. Современные автомобильные электрические системы — это комплекс, который совершенствуется с каждой новой моделью. Усугубляет проблему множество сражений с теорией электричества, отсутствие  стратегий диагностики, которые должны помочь завоевать победу и решить возникшие проблемы. Многие предпочитают заниматься тормозной системой или ремонтом двигателей, но нет такой системы в автомобиле, которая не имела бы электрических компонентов.  Вы можете убежать, но не сможете спрятаться.

Если это про вас — мужайтесь. Электрически заряженный техник всегда помнит о том, что:

1. Электричество всегда работает одинаково, вне зависимости от сложности системы.
2. Существует всего 4 возможных неисправностей, которые могут возникнуть в электрической цепи. Это — обрыв (размыкание) цепи, высокое сопротивление, замыкание на «массу», замыкание на питание.
3. Понимание беспокойства клиента и простой осмотр зачастую могут подсказать, с какой из четырех неисправностей вы имеете дело.

Итак, сделайте глубокий вздох и давайте пройдемся по основам, которые вы должны знать, чтобы стать превосходным автоэлектриком.

Основы.

Давайте сделаем небольшой обзор основ электричества. Прежде всего, что такое электричество? Ученые всегда придумывают новую информацию об этом, но мы можем предполагать, что электричество — это поток электронов, двигающихся через проводник. Электроны — это одни из основных кирпичиков материи, которые являются неотъемлемой частью атома. Атом — наименьшая частица, на которые может быть разбит любой элемент, сохраняя тем самым свойства этого элемента. Например, одним из таких элементов является медь, ее свободные электроны могут перемещаться от одного атома к другому.

Элементы, способные проводить электрический ток известны как — проводники. Лучшими проводниками являются серебро, медь, золото и алюминий. Материалы, блокирующие электрический ток известны как изоляторы. Обычно используются изоляторы содержащие пластик, стекло, резину и бакелит.

Поэтому мы одеваем медный провод в пластмассовый изолирующий материал, так как не хотим, чтобы электричество ушло из провода, более того — ушло в неизвестном направлении.

Что заставляет воду течь по трубе? Разность давления. Большее давление на одной стороне и меньшее на другой. Вода естественным образом течет по трубе от стороны с наибольшим давлением в направлении области с наименьшем давлением. Если не будет разницы в давлении, вода не потечет.

Напряжение — это электрическое давление, сила, с помощью которой ток течет по цепи. Напряжение без тока может существовать, но ток без напряжения не может.Таким же образом, электрический ток не потечет без разницы в давлении. «Давление», оказывающее влияние на электрический ток называют напряжением, и измеряют в вольтах. Напряжение также известно как разность потенциалов или электродвижущей силой (ЭДС). Если возможно существование напряжения (давления) без тока, то тока без напряжения невозможно. Гении электричества, такие как Эдисон, давно обнаружили, что если вам удастся создать поток электронов, вам удастся сделать много полезной работы. Поток электронов известен как ток, и измеряется в амперах. Думайте о нем как о воде, текущей по трубе. Чтобы повысить количество перемещаемой воды, труба должна быть большей в диаметре. С электричеством также. Больше электрического тока может сделать большую работы, и чем больше тока вы хотите переместить, тем толще должен быть провод. Все самые  толстые провода на вашем автомобиле сделаны, чтобы по ним протекало больше тока и он мог сделать больше работы. Лучшим примером может служить кабель, идущий от аккумулятора к стартерной батарее.

Неплотно закрытый вентиль или повреждение в трубе, уменьшающее ее диаметр, создает ограничения для потока. Возрастающие ограничения ослабляют поток воды. Электрическое сопротивление работает подобным образом. Увеличение сопротивления вызывает уменьшение электрического тока. Электрическое сопротивление измеряется в омах и может быть вызвано потерей контактов на подключениях, изношенными проводами или ржавыми клеммами. Важно понимать основной принцип относительно сопротивления: чем ближе вы стремитесь к нулевому ому, тем меньше сопротивление в цепи. В свою очередь, если ток в цепи будет равен нулю амперам, то сопротивление возрастет до бесконечности.

Вы, вероятно, слышали о законе Ома, названного в честь германского физика и математика Георга Симона Ома. Закон Ома является основой этой дискуссии, так как описывает отношение между напряжением, током и сопротивлением. Простым языком закон Ома гласит: один вольт электрического давления вызовет один ампер тока, протекающего через один ом сопротивления.

Если напряжение Е остается неизменным, а сопротивление R падает, ток I возрастает. Если сопротивление возрастает, то ток уменьшается.Наиболее важным вкладом Ома в техническом понимании электричества, является то определение, что когда сопротивление цепи увеличивается ток уменьшается. Обратное также верно: если сопротивление в цепи снижается, ток возрастает. Это объясняет многое из того, с чем мы сталкиваемся каждый день, как технические специалисты, помогает нам понять почему и как происходят множество поломок в электрических системах.  Это когда тока становится меньше, ток не течет вовсе, или течет где то, где мы бы этого не хотели.

То, что идет не так.

Все мы знаем или сталкивались с «крутыми» автомобильными техниками, которые диагностируют проблему в электрической цепи прослушав историю клиента, а затем выдают что то вроде: — «Где то «коротыш». Бесполезное замечание, неправда ли? И как часто бывает, на вопрос о том, что и где конкретно неисправно, вы получаете большое затруднение с ответом.

Несмотря на их благие намерения вам помочь, называть любую электрическую неисправность коротким замыканием является дезинформаированием. Существует всего 4 возможных неисправностей, которые могут возникнуть в электрической цепи: обрыв цепи, высокое сопротивление, замыкание на «массу», замыкание на «питание». Итак рассмотрим, какие симптомы соответствую каждой неисправности и какие действия необходимо предпринять, чтобы их обнаружить.

Техническим специалистам необходимо начинать с четкого понимания беспокойства заказчика. Задавайте проясняющие вопросы, как например, является ли проблемы постоянной или возникает переодически. Эти вопросы дадут некоторое представление с какой из четырех возможных неисправностей вы имеете дело. Постарайтесь обеспечить присутствие заказчика, в момент поиска неисправности, а при необходимости, проведите с ним контрольный заезд.

После того, как вы выслушали заказчика проведите тщательный осмотр и основные тесты. Например, при таком осмотре, обрыв цепи вы сможете определить и без помощи мультиметра.

Следующий шаг — это выполнение визуального осмотра и основных тестов таких простых деталей, как лампочки и предохранители. Не доставайте предохранитель. Вместо этого проверьте вольтметром на двух его сторонах наличие напряжения.

Обычно, основной блок предохранителей находится около аккумуляторной батареи. Это гарантирует, что большинство проводов защищены предохранителями, плавкими вставками или автоматическими выключателями.

Педохранитель расплавленный? Тогда имеет место чрезмерное протекание тока, обусловленное снижением сопротивления в цепи. Если предохранитель в порядке, то сопротивление цепи либо в норме, либо слишком большое. Значительный процент проблем с электрикой решаются на этом этапе.

Хороший предохранитель покажет маленькое значение падения напряжения, которое будет увеличиваться, в случае увеличения тока. Если показания, замеряемые через предохранитель будут равны напряжению аккумуляторной батареи, то он в обрыве (оплавлен).

1. Обрыв цепи.

Когда заказчик заявляет, что устройство не работает вовсе, вам необходимо задуматься об обрыве цепи. Обрыв цепи возникает при прерывании соединений, через которые должен протекать ток. Вследствие прерывания соединения сопротивление цепи возрастает до бесконечности. Обрыв цепи также известен как прерывистая цепь.

Если предохранитель в порядке, это укрепляет необходимость приступить к диагностике обрыва цепи. Далее, вам необходимо получить доступ к неисправному устройству и включить зажигание автомобиля. Подсоедините минусовой провод вашего вольтметра на корпус (массу), замеряя напряжение на стороне питания этого устройства, т.е. присоедините плюсовой провод к месту подключения этого устройства. Вы должны увидеть на вольтметре напряжение аккумуляторной батареи. Если нет, то вам необходимо измерять напряжение в точках выше по течению от устройства, чтобы сузить место расположения разомкнутой цепи. Продолжайте замеры по обратно по направлению к аккумулятору. Если при замере вы увидите наличие напряжения, значит проблема заключается между этим местом и предыдущим, где вы измеряли.

А что если напряжение по питанию есть, но устройство все равно не работает? Вашим следующим шагом будет замер напряжения по «минусу», т.е. на корпус.

Если вам удалось замерить напряжение аккумуляторной батареи с обеих сторон устройства (по плюсу и минусу), и устройство при этом исправно, то вероятен разрыв цепи по «массе».   Подсоедините перемычку (провод) между корпусом (или минусовым контактом) и корпусов автомобиля, чтобы завершить проверку.

Это пример неисправности по массе, которая отключила более чем одно устройство. Потеря напряжения через это соединение привело к неисправности заднего стеклоочистителя, заднего омывателя и обогрева заднего стекла.

Если и сейчас устройство не заработает — выходит, что оно неисправно.

2. Большое сопротивление.

Когда клиент жалуется, что устройство работает плохо, не в полную силу, это говорит о том, что вы имеете дело с большим сопротивлением. Это может быть тускло светящаяся лампочка, медленно раскручивающися двигатель, или электрический обогреватель не вращается с необходимой силой. Всему виной плохое соединение где-то в цепи, и возрастающее сопротивление снижает напряжение, необходимое для работы устройства.

Это вызвано феноменом, называемым — падение напряжения. Это всегда случается так, когда ток течет через сопротивление. Плохие (ржавые или неплотные) соединения будут сами потреблять напряжение и оставлять его меньше для устройства. Вольтметр, подключенный в месте соединения с проводом расскажет все об этом.  Если соединение хорошее, вольтметр покажет падение напряжения в милливольтах. При плохом соединении ваш вольтметр покажет намного больше, чем просто большое значение падения напряжения. Это могут быть и расплавленные пластиковые соединения, и прогоревшие изоляторы. Они то и свидетельствуют о том, что вы нашли источник высокого сопротивления.

Характерным признаком неисправности с высоким сопротивлением является расплавленный разъем.

Нет необходимости проверять предохранитель за предохранителем. Они в порядке. Включите зажигание и снимите показания напряжения потребляемого устройством. По идее, вы должны увидеть значение напряжения близкое к напряжению аккумуляторной батареи, но при такой ситуации, скорее всего, шансы минимальны. Если вы наблюдаете значение напряжения более чем на 1 вольт ниже чем на аккумуляторной батарее, самое время начать поиски причин неисправности под названием «высокое сопротивление».

Здесь возможно высокое сопротивление как на стороне питания, так и на стороне «минуса», или на обеих. Подсоедините минусовой провод вашего вольтметра к хорошему минусовому контакту на корпусе и проверьте напряжение на стороне питания устройства. Если вольтметр показывает значение близкое к аккумуляторной батареи, на стороне питания все в порядке. Однако, если напряжение в этом случае низкое, вам необходимо проверить цепь вверх по течению к батареи, в поисках точки, в которой возникает падение напряжения. Если в какой то точке вы увидите нормальное напряжение цепи, то высокое сопротивление находится где то между этой точкой и последней вами проверенной.

Если на стороне питания напряжение близко к напряжения аккумуляторной батареи, неисправность кроится на стороне минусового контакта цепи. Минусовым проводом вашего вольтметра подключитесь к хорошему контакту на корпус, а вторым проводом подключитесь к минусовому подключению самого устройства. Вольтметр должен показать только милливольтовое значение падения напряжения, если все в порядке. Если показания больше, необходимо ремонтировать плохие соединения по «массе» и проверить как после этого работает устройство.

3. Короткое замыкание на массу.

Вот где начинается самое интересное. Если заказчик рассказывает вам о том, что устройство не работает вовсе и вы обнаруживаете оплавленный предохранитель, возможной причиной может быть замыкание на массу. Замыкание на массу это низкое сопротивление на пути к массе, вызывающее повышенный ток. Это часто вызвано повреждением изоляции провода вследствие его трения о корпус автомобиля. Однако, это может быть вызвано внутренним повреждением устройства, которое может ремонтироваться только заменой комплектующих.

Если вы встретились с расплавленным предохранителем, начните с его замены и затем начните работу с цепью. Первопричиной может быть и сам предохранитель, но если и новый предохранитель перегорит, то присутствует какая то неисправность. Предохранитель сгорел в момент его замены или после включение зажигания? Это сразу говорит о том, находится проблема до замка зажигания, или после него.

Внимательно изучите схему проводов, и определите  цепи, подключенные к неисправному предохранителю. Какие цепи скорее всего приведут к короткому замыканию? Можете ли вы отключить цепи, которые подозреваете в причине неисправности? Если, при отключении конкретного устройства или участка цепи, предохранитель не сгорит, это значит, что вы находитесь значительно ближе к решению проблемы.

Наиболее сложным методом для определения короткого замыкания на массу является использование тонального генератора.  Этот диагностирующий прибор имеет передатчик, который подсоединяется к патрону предохранителя (или к другой точке жгута с проводами) и посылает сигнал по проблемной цепи. Технический специалист продвигается по цепи с приемником, который издает звук, когда обнаруживает сигнал, проходящий по проводу. Когда вы вплотную приближаетесь к месту короткого замыкания на массу, звук из приемника пропадает. Этот прибор может применяться техническими специалистами также при определении обрыва цепи.

4. Замыкание на питание.

О замыкании на питание вам могут сообщить разными путями. Первый — заказчик мог рассказать вам, что конкретное устройство на его автомобиле не выключается. Другая вероятность, если заказчик говорит, что автомобиль пришлось заводить с толкача, после того, как она постояла ночь. Замыкание на питание — это неисправность вызванная наличием питания на устройстве в обход переключателя, или если сам переключатель имеет внутреннее короткое замыкание или если провод после переключателя законтачен с проводом из другой цепи. При всех вероятностях, предохранитель будет исправен, но цепь будет под напряжением когда вам это не нужно.

Если заказчик говорит о том, что устройство не хочет выключаться, вытащите предохранитель из этой цепи. Если устройство выключилось, есть проблема с изоляцией внутри этой цепи. Установите предохранитель заново и отключите от цепи зажигание. Если устройство выключилось, переключатель имеет внутреннее короткое замыкание. Если устройство по прежнему работает, когда предохранитель вытащен, на него поступает питание из другой цепи. Внимательно проверьте жгут проводов, в поисках места возможного соединения протертых проводов, вызвав эту неисправность.

Если заказчик говорит, что аккумуляторная батарея разрядилась за ночь, вы вероятно имеете дело с утечкой. Не доставайте предохранители. Вместо этого используйте мультиметр, чтобы замерить падение напряжения по отдельным предохранителям с выключенным зажиганием. Если цепь в норме, на цифровом мультиметре будет значение в милливольтах очень малое. Если вы обнаружите предохранитель, который будет показывать значение намного большее, чем остальные — то вы нашли ту цепь, которая «убила» аккумулятор клиента.

 Милливольтовый диапазон на мультиметре удобен для измерения падения напряжения через предохранители и соединения.

Материал подготовил:

Качанов Александр Юрьевич.

Уходит ли ток в розетку или остается в лампочке?

> Из ваших слов выходит что для наличие «тока»
> необязателен замкнутый «видимо» контур?
На микроуровне «ток» это такая же условность, как «температура». Если, допустим, в вакууме летит электрон, это можно рассматривать как ток, направленный противоположно движению этого электрона. Но когда этих электронов огромное количество, то если они вдруг начнут двигаться по незамкнутому контуру, они в том месте, где этот контур кончается, через какое-то время накопятся в таком количестве, что потекут куда-нибудь в другую сторону.

Кстати, у меня-то контур как-раз замкнутый. Я же писал:
>> Но тут батарейка берёт со своей второй клеммы
>> новую порцию электронов и перемещает их на первую клемму.
Вот так контур и замыкается.

> что такое потенциал електричества?
Ну, это просто потенциал электрического поля. Есть гравитационное поле, а есть электрическое. Такова природа. По-моему, понятнее никто не сможет объяснить.

> електричество или что там может переходить даже
> от меньшего потенциала к большему.
> Это как-то не вяжется у меня со вторым началом термодинамики:)
Может, если затрачивать на это энергию. Добровольно электрон от плюса к минусу не полетит, но его можно туда сдвинуть насильно. Например, так, как на ГЭС — механическим перемещением проводника в магнитном поле. Или так, как в батарейке — перетащить его от плюса к минусу вместе с молекулой, к которой он присоединён, а потом из этой молекулы выгнать (путём химической реакции).

> И ещё — если ток идёт от минуса к плюсу —
> то почему ВСЕГДА рисуют наоборот?
Так исторически сложилось. Когда открывали законы электричества, никто ещё не знал, какой заряд у частицы — носителя электричества, положительный или отрицательный (и существует ли вообще такая частица). Если этого не знать, то безразлично, какое направление тока выбрать положительным, а какое отрицательным. Потом открыли электрон и обнаружилось, что направление выбрано «неправильно».

Как движется ток в электрических схемах

Тема: в какую сторону идёт ток в проводах, электрических цепях, схемах.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.

Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.

А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.

Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.

Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.

Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).

Тема: в какую сторону идёт ток в проводах, электрических цепях, схемах.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.

Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.

А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.

Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.

Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.

Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).

Как читать схемы? В прошлой статье мы с вами рассмотрели, как выглядят обозначения основных радиоэлементов на схеме. В этой статье мы поговорим о таких понятиях, как электрический ток, напряжение и сила тока. Хотя я уже писал о них в самых первых статьях, но в этой статье попробуем все это сложить в одну кучу, чтобы вам было легче уловить суть дела.

Проводники электрического тока

Начнем с самого-самого начала. Как вы знаете, все схемы состоят из проводков или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука“, я с помощью проводков соединял различные радиоэлементы и у меня получилась схема, которая усиливает звуковые частоты

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются печатными дорожками.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Прямо внутри них есть дорожки, которые соединяются межслойно. Очень сильно экономится площадь на поверхностях печатной платы. Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Электрический ток

Думаю, вы не раз слышали такое выражение: “по этому проводу течет ток”. Электронику проще объяснять как раз с точки зрения гидравлики. Раз ток течет, значит, в нашем случае, проводок – это шланг или труба для электрического тока. Получается, что так. А что такое электрический ток?

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, чаще всего электронов, в одном направлении. По аналогии с гидравликой, электроны – это молекулы воды. Электрический ток – поток воды. Думаю, этого пока будет достаточно. Одними словами сыт не будешь, поэтому давайте нарисуем рисунок, чтобы порадовать глаза:

В данный момент шланг валяется где-нибудь в огороде и в нем осталась вода. Шланг никуда не подключен, то есть молекулы воды в шланге находятся в неподвижном состоянии.

По аналогии с электроникой, медный проводок лежит на столе и никуда не подключен.

Но вот настал вечер. Надо полить помидоры и огурцы, иначе к зиме останетесь без закуски. Как только мы открываем кран, вода в шланге начинает движуху:

Теперь вопрос на засыпку: почему когда мы открыли краник, вода побежала по шлангу? Создалось давление… молекулы что левее стали давить на молекулы что правее и движуха началась. Но кто толкал те молекулы, которые толкали молекулы? Это либо насос, либо вода в водобашне под воздействием гравитационной силы Земли.

В электронике электроны толкает так называемая ЭДС. В любой электрической схеме есть тот самый “насос”, который толкает электроны по проводкам и радиоэлементам. Он может находится в самой схеме, либо подключаться в схему извне. Как только электроны начинают движуху в проводке в одном направлении, то можно уже сказать, что в проводке стал течь электрический ток.

Напряжение

А теперь представьте такую ситуацию. У нас есть водонасос, но шланг мы закупорили пробкой.

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Там пробка закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет приличная, то пробка вылетит со скоростью пули, либо давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге.

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Давление на дне башни зависит от того, сколько воды налито в башню. Если башня под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь прикиньте какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине 😉

Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа “блок питания может выдать напряжение от 0 и до 30 Вольт”. Или говоря детским языком, создать “электрическое давление” на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

Электрическое давление – это еще не значит, что есть электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток должна быть движуха электронов в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз движухи нету, то и нет электрического тока. Но то, что уже есть давление – это предпосылка к зарождению электрического тока.

Вы прямо сейчас можете создать давление воздуха в своем организме. Для этого достаточно набрать воздуха в легкие и закрыть рот. Потом выпустить воздух и надуть щеки, не открывая рот. В это время у вас на щеки молекулы воздуха будут оказывать давление. Чем больше вы выдыхаете воздуха, тем напряженнее стают ваши щеки от давления. Движуха идет из области высокого давления в область низкого давления. В ваших легких вы создали большое давление, а давление снаружи оказалось меньше. Поэтому-то щёчки и надулись.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания высокое давление, а на другом низкое. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп – черным или синим. Тут типа давление минимальное (нулевое).

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше ” электрическое давление”, а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное “давление”, а на минусе – недостаточное.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

Итак, одна составляющая для зарождения электрического тока у нас уже есть – это напряжение.

Вернемся снова к гидравлике.

Давление мы создали, но электрического тока до сих пор нету. Что надо сделать? Правильно, убрать пробку из шланга и дать водичке спокойно вытекать. Пошла движуха, значит, пошел электрический ток!

От какого слова образуется слово “ток”. Я думаю, от слова поТОК. Поток воды, поток энергии, поток света и тд, а поток электронов в проводке называется просто “электрическим током”. Значит, заставляя течь электроны, мы тем самым создаем электрический ток 😉

Теперь снова надуйте свои пухленькие щечки и пытайтесь создать внутри полости рта очень высокое давление. Что у нас произойдет? Ваши губки не выдержат и поток воздуха устремится изо рта в окружающее пространство. То есть вы создали в полости рта высокое давление, которое устремилось в область низкого давления, то есть наружу. Почти схожим образом вы создаете “ветер” из пукана, напрягая свой животик :-).

Ладно, давайте обобщим, все что мы тут пописали. ЭДС создает движуху электронов по проводку. Для того, чтобы движуха была, электроны должны куда-то направляться, желательно обратно к ЭДС источнику. В идеале, должно быть как-то так:

Как вы видите, труба у нас выходит из насосной станции и входит в насосную станцию. То есть контур трубы получается замкнутым. Пока работает насосная станция, у нас есть движуха воды. Как только насосная станция сдохнет, движуха воды прекратится. Также немаловажно чтобы труба не была тонкая в диаметре, иначе ее порвет, если насосная станция будет большой мощности.

По аналогии с электроникой получаем все то же самое. Во-первых, нужно чтобы контур был замкнутым, во вторых – чтобы был источник ЭДС, и в-третьих, чтобы провод выдерживал поток электронов.

Сила тока

Также нас интересует еще один немаловажный фактор – это какой объем воды у нас выльется из шланга за какое-то время.

Как думаете, с каким напором воды мы быстрее наполним ведерко?

или вот с таким?

Понятное дело, что с последним. Почему так? Да потому что, ну пусть скажем за секунду, у нас вылитой из трубы воды будет больше, чем из шланга. А объем вылитой воды из зеленого шланга за секунду будет больше, чем из желтого, так как напор воды в желтом шланге очень слабый. И теперь еще один вопросик на посошок. Какой поток струи будет обладать бОльшей силой? Ясно дело, что струя, которая выходит из трубы. Такой струей можно и гидрогенераторы крутить.

Давайте допустим, что у нас есть большая труба, и к ней заварены две другие, но одна в два раза меньше диаметром, чем другая.

Из какой трубы объем воды будет выходить больше за секунду времени? Разумеется с той, которая толще в диаметре, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 малой трубы. Следовательно, сила потока через большую трубу будет больше, чем через малую, так как объем воды, который протекает через поперечное сечение трубы S2, будет в два раза больше, чем через тонкую трубу.

Так… теперь давайте все что мы тут пописали про водичку, применим в электронике. Проводки – это шланги или трубы, в зависимости от размера. Тонкий проводок – это тонкий в диаметре шланг, толстый проводок – это толстый в диаметре шланг, можно сказать – труба. Молекулы воды – это электроны. Следовательно, толстый проводок при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий.

И еще, в какой трубе сила потока электронов будет больше? Разумеется, через толстый проводок, так как количество электронов через поперечное сечение проводка за единицу времени будет проходить больше, чем в тонком проводке 😉 А количество электронов, которое проходит через поперечное сечение проводника за какой-то промежуток времени, называется силой тока. Я ведь говорил, что гидравлика и электроника очень взаимосвязаны ;-).

Не забываем, что электроны обладают зарядом, поэтому официальная терминология силы тока звучит так: сила тока – это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам, Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову – это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу – это элементарно.

Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения? Первое, что приходит на ум – это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика. Второе – это поставить шланг большим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:

Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводку. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет протащить через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его “порвет”, то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях. Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит от того, на какую силу тока он рассчитан

Как только сила тока через проводок превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в обрыве

Заключение

Электрический ток в основном характеризуется такими параметрами, как напряжение и сила тока. Провода служат именно теми самыми “трубами и шлангами” для того, чтобы передавать электрический ток на расстояния. Они выбираются в зависимости от того, какая сила тока будет течь через них.

Например, вот такие медные “проводочки” используются для передачи бешеной силы тока на заводах, крупных фабриках, электросетях и тд. Называют их медными шинами.

На последней картинке можно увидеть предохранитель, который соединяет шины. Его номинал 500 Ампер. Можно сказать, что через сечение такой медной шины за 1 секунду может пробежать очень большой заряд, а точнее 500 Кулон.

А что было бы, если мы туда поставили какой-нибудь медный тонкий проводок? Я думаю, произошло бы что-то типа этого

Резюме

Электрический ток – это движение в одном направлении свободных электронов.

Свободные электроны у нас имеются в проводках, которые в основном сделаны из меди и алюминия.

Электрический ток характеризуется двумя параметрами: напряжением и силой тока.

Чтобы в проводке возник электрический ток, надо чтобы в одном конце проводка было избыточное давление, а в другом – недостаточное.

Ток течет от плюса к минусу (хотя электроны бегут от минуса к плюсу)

Сила тока через проводок – это количество заряда, которое проходит через площадь “кружочка” (сечение проводка поперек) за одну секунду. Выражается в Амперах (Кулон/ Вольт).

Проводки, через которые будет проходить большая сила тока, делают толще, иначе тонкие провода нагреются и расплавятся, причинив вред окружающим предметам.

Почему ток все еще течет через коллектор, хотя в транзисторной цепи нет Vcc

Это связано со структурой транзистора BJT. Давайте посмотрим на NPN:

^{Источник изображения}

У вас есть область коллектора из полупроводника N-типа, база P-типа и эмиттер N-типа. Я не буду вдаваться в подробности, поскольку это выходит за рамки вопроса, но давайте удовлетворим его вопросом — не похожи ли коллектор и эмиттер?

Что вы сделали, это подключите эмиттер к земле, а коллектор — к земле через резистор. Затем вы подали напряжение на базу.

Обычно то, что вы ожидаете от напряжения на базе, это для тока, протекающего от базы к эмиттеру — это в основном диод с основанием, являющимся анодом, а эмиттер, являющийся катодом. Если напряжение на катоде выше, чем база, этот поток тока через переход база-эмиттер вызовет ток, протекающий от коллектора к эмиттеру.

Однако в вашем случае коллектор не имеет более высокого потенциала, чем основа, он имеет более низкий потенциал. Вот тут-то и возникает мой вопрос — так же, как и соединение база-эмиттер, соединение база-коллектор также является PN-переходом, который также является диодом. Опять же, основание — это анод, но на этот раз коллектор — это катод. Это означает, что при подаче более высокого напряжения на базу, чем на катод, ток будет течь от базы через катод.

Теперь у вас есть ток, протекающий от базы к катоду, через резистор к земле, таким образом, таинственный поток тока идентифицируется.

Чтобы уточнить далее, вот ваша схема, если мы рассматриваем PN переходы как диоды (*):

^{смоделировать эту схему — схема, созданная с использованием CircuitLab}

Вы можете видеть, как ток теперь может течь как через диод Base-Emitter, так и через диод Base-Collector.

С точки зрения того, почему ваша текущая диаграмма показывает ток коллектора как отрицательный, это почти наверняка связано с тем, как вы исследовали провод в вашей симуляции.

Имитационный зонд будет настроен таким образом, чтобы поток тока в коллектор считался «положительным». Кроме того, будет настроен второй датчик, чтобы ток, протекающий через резистор сверху вниз, считался «положительным».

Однако в этом случае ток течет из коллектора («отрицательный» с точки зрения датчиков) и в резистор («положительный» с точки зрения второго датчика). В результате в знаке есть несоответствие.

По сути это похоже на наличие двух амперметров подряд, но один подключен назад. Они будут показывать равные, но противоположные показания.

Информация о бонусе

Теперь ток базового коллектора будет намного ниже, чем ток базового эмиттера, отчасти потому, что у вас есть последовательный резистор от коллектора к земле, который будет падать некоторое напряжение и таким образом ограничивать ток (так же, как последовательный резистор со светодиодом) , но также отчасти потому, что структура NPN является более сложной.

Эмиттер легирован сильнее, чем коллектор, что означает, что на переходе BE на самом деле падение напряжения будет намного ниже, чем на переходе BC. В результате, даже без резистора ток BC будет значительно меньше, чем ток BE.

На самом деле вы можете использовать транзистор BJT в обратном направлении (поменять местами C и B), но производительность будет сильно ухудшена.

^{(*) Диодный вид не полностью представляет NPN-транзистор. Если вы соедините два диода вместе, вы не получите NPN-транзистор из-за металлических проводов диода между ними. Однако он точно отображает эффект, который вы видите.}

DK Science & Technology: Circuits

Электрический ток течет по петле, питая лампочки или другие электрические КОМПОНЕНТЫ. Петля представляет собой электрическую цепь. Схема состоит из различных компонентов, связанных между собой проводами. Ток передается по цепи источником питания, например АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕЕЙ.

Таблица 26. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕПИ

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК?

Электрический ток — это поток электрического заряда (обычно в форме электронов) через вещество.Вещество или проводник, по которому протекает электрический ток, часто представляет собой металлическую проволоку, хотя ток также может протекать через некоторые газы, жидкости и другие материалы.

КОГДА ПРОХОДИТ ТОК В КОНТУРЕ?

Ток протекает только тогда, когда цепь замкнута — когда в ней нет промежутков. В замкнутой цепи электроны текут от отрицательной клеммы (соединения) на источнике питания через соединительные провода и компоненты, такие как лампочки, и обратно к положительной клемме.

ЧТО ДЕЛАЕТ ТЕКУЩИЙ ПОТОК В КОНТУРЕ?

Когда провод подсоединяется к клеммам аккумулятора, электроны перетекают с отрицательного полюса на положительный. В отличие от (противоположных) зарядов притягиваются, подобные (одинаковые) заряды отталкиваются. Электроны имеют отрицательный заряд — они отталкиваются от отрицательного и притягиваются к положительному.

Аккумулятор — это компактный, легко транспортируемый источник электроэнергии. Когда батарея подключена к цепи, она обеспечивает энергию, которая движет электроны в токе.Батареи содержат химические вещества, которые вместе реагируют, разделяя положительный и отрицательный заряды.

ЧТО ВНУТРИ АККУМУЛЯТОРА?

Батарея состоит из одной или нескольких секций или ячеек. Внутри каждой ячейки два химически активных материала, называемых электродами, разделены жидкостью или пастой, называемой электролитом. Маленькие батарейки могут иметь только одну ячейку. Большие мощные батареи могут иметь шесть ячеек.

КАК РАБОТАЕТ АККУМУЛЯТОРНАЯ ЯЧЕЙКА?

Внутри ячейки электролит реагирует с электродами, заставляя электроны перемещаться через электролит от одного электрода к другому.Один электрод получает отрицательный заряд, а другой — положительный. Два электрода — это положительный и отрицательный выводы.

Различные объекты, составляющие схему, называются компонентами. Схема должна иметь источник питания, например аккумулятор, а ток течет по проводнику, например по проводу. Лампы, зуммеры и двигатели — это компоненты, которые преобразуют электричество в свет, звук и движение.

Батарея и другие компоненты искусственного кардиостимулятора посылают электрические импульсы по проводам в сердце пациента, чтобы оно продолжало устойчиво биться.Кардиостимулятор вводится, когда сердце само по себе не бьется устойчиво.

Материал, хорошо проводящий ток, называется проводником. Металлы являются хорошими проводниками, потому что атомы металлов легко выпускают электроны, переносящие ток. Серебро и медь — лучшие проводники, и большинство электрических проводов сделано из меди. Во избежание поражения электрическим током провода покрывают изолятором.

Некоторые материалы плохо переносят ток. Говорят, что они сопротивляются (противодействуют) току.Материалы, которые делают это, называются изоляторами. Пластик, стекло, резина и керамика — хорошие изоляторы. Изоляторы используются для покрытия проводов и компонентов для предотвращения поражения электрическим током и предотвращения протекания токов.

Выключатели похожи на ворота, которые контролируют поток электричества в цепи. Когда переключатель разомкнут, он создает разрыв в цепи, и ток не течет. Когда он замкнут, он замыкает цепь, и через нее течет ток. Переключатели используются в параллельных цепях для включения и выключения различных частей цепи.

КАК ПОСТАВЛЯЕТСЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ?

Большая часть электроэнергии, которую мы используем в своих домах и на работе, вырабатывается машинами на электростанциях, называемыми генераторами. Генераторы посылают электрический ток через огромную сеть цепей и проводов в дома, офисы и другие здания.

Учебник по физике: электрический ток

Если два требования электрической цепи выполнены, заряд будет проходить через внешнюю цепь. Говорят, что есть ток — поток заряда.Использование слова текущий в этом контексте означает просто использовать его, чтобы сказать, что что-то происходит в проводах — заряд движется. Однако ток — это физическая величина, которую можно измерить и выразить численно. Как физическая величина, ток — это скорость, с которой заряд проходит через точку в цепи. Как показано на диаграмме ниже, ток в цепи можно определить, если можно измерить количество заряда Q , проходящего через поперечное сечение провода за время t .Ток — это просто соотношение количества заряда и времени.

Текущее — это величина ставки. В физике есть несколько скоростных величин. Например, скорость — это величина скорости — скорость, с которой объект меняет свое положение. Математически скорость — это отношение изменения положения к времени. Ускорение — это величина скорости — скорость, с которой объект меняет свою скорость. Математически ускорение — это отношение изменения скорости к времени. А мощность — это величина скорости — скорость, с которой работа выполняется на объекте.Математически мощность — это отношение работы к времени. В каждом случае величины скорости математическое уравнение включает некоторую величину во времени. Таким образом, ток как величина скорости будет математически выражен как

.

Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении используется символ I для обозначения величины тока.

Как обычно, когда количество вводится в Физическом классе, также вводится стандартная метрическая единица, используемая для выражения этой величины.Стандартная метрическая единица измерения тока — ампер . Ампер часто сокращается до А и обозначается символом единицы A . Ток в 1 ампер означает, что 1 кулон заряда проходит через поперечное сечение провода каждую 1 секунду.

1 ампер = 1 кулон / 1 секунда

Чтобы проверить свое понимание, определите ток для следующих двух ситуаций. Обратите внимание, что в каждой ситуации дается некоторая посторонняя информация.Нажмите кнопку Проверить ответ , чтобы убедиться, что вы правы.

Обычное направление тока

Частицы, которые переносят заряд по проводам в цепи, являются подвижными электронами.Направление электрического поля в цепи по определению является направлением, в котором проталкиваются положительные испытательные заряды. Таким образом, эти отрицательно заряженные электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Но в то время как электроны являются носителями заряда в металлических проводах, носителями заряда в других цепях могут быть положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. Фактически, носители заряда в полупроводниках, уличных фонарях и люминесцентных лампах одновременно являются как положительными, так и отрицательными зарядами, движущимися в противоположных направлениях.

Бен Франклин, проводивший обширные научные исследования статического и текущего электричества, считал положительные заряды носителями заряда. Таким образом, раннее соглашение о направлении электрического тока было установлено в том направлении, в котором будут двигаться положительные заряды. Это соглашение прижилось и используется до сих пор. Направление электрического тока условно является направлением, в котором будет двигаться положительный заряд. Таким образом, ток во внешней цепи направлен от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.Электроны действительно будут двигаться по проводам в противоположном направлении. Зная, что настоящими носителями заряда в проводах являются отрицательно заряженные электроны, это соглашение может показаться немного странным и устаревшим. Тем не менее, это соглашение, которое используется во всем мире, и к которому студент-физик может легко привыкнуть.

Зависимость тока от скорости дрейфа

Ток связан с количеством кулонов заряда, которые проходят точку в цепи за единицу времени.Из-за своего определения его часто путают со скоростью дрейфа количества. Скорость дрейфа означает среднее расстояние, пройденное носителем заряда за единицу времени. Как и скорость любого объекта, скорость дрейфа электрона, движущегося по проводу, — это отношение расстояния ко времени. Путь типичного электрона через проволоку можно описать как довольно хаотический зигзагообразный путь, характеризующийся столкновениями с неподвижными атомами. Каждое столкновение приводит к изменению направления электрона.Однако из-за столкновений с атомами в твердой сети металлического проводника на каждые три шага вперед приходится два шага назад. С электрическим потенциалом, установленным на двух концах цепи, электрон продолжает движение до , перемещаясь вперед на . Прогресс всегда идет к положительной клемме. Однако общий эффект бесчисленных столкновений и высоких скоростей между столкновениями заключается в том, что общая скорость дрейфа электрона в цепи ненормально мала. Типичная скорость дрейфа может составлять 1 метр в час.Это медленно!

Тогда можно спросить: как может быть в цепи ток порядка 1 или 2 ампер, если скорость дрейфа составляет всего около 1 метра в час? Ответ таков: существует много-много носителей заряда, движущихся одновременно по всей длине цепи. Ток — это скорость, с которой заряд пересекает точку в цепи. Сильный ток является результатом нескольких кулонов заряда, пересекающих поперечное сечение провода в цепи. Если носители заряда плотно упакованы в провод, тогда не обязательно должна быть высокая скорость, чтобы иметь большой ток.То есть носители заряда не должны преодолевать большое расстояние за секунду, их просто должно быть много, проходящих через поперечное сечение. Ток не имеет отношения к тому, насколько далеко заряды перемещаются за секунду, а скорее к тому, сколько зарядов проходит через поперечное сечение провода в цепи.

Чтобы проиллюстрировать, насколько плотно упакованы носители заряда, мы рассмотрим типичный провод, который используется в цепях домашнего освещения — медный провод 14-го калибра. В срезе этой проволоки длиной 0,01 см (очень тонком) их будет целых 3.51 x 10 ²⁰ атомов меди. Каждый атом меди имеет 29 электронов; маловероятно, что даже 11 валентных электронов одновременно будут двигаться как носители заряда. Если мы предположим, что каждый атом меди вносит только один электрон, то на тонком 0,01-сантиметровом проводе будет целых 56 кулонов заряда. При таком большом количестве подвижного заряда в таком маленьком пространстве малая скорость дрейфа может привести к очень большому току.

Чтобы проиллюстрировать это различие между скоростью дрейфа и течением, рассмотрим аналогию с гонками.Предположим, что была очень большая гонка черепах с миллионами и миллионами черепах на очень широкой гоночной трассе. Черепахи не очень быстро двигаются — у них очень низкая скорость дрейф . Предположим, что гонка была довольно короткой — скажем, длиной 1 метр — и что значительный процент черепах достиг финишной черты в одно и то же время — через 30 минут после начала гонки. В таком случае течение будет очень большим — миллионы черепах пересекают точку за короткий промежуток времени.В этой аналогии скорость связана с тем, насколько далеко черепахи перемещаются за определенный промежуток времени; а ток зависит от того, сколько черепах пересекли финишную черту за определенный промежуток времени.

Природа потока заряда

Как только было установлено, что средняя скорость дрейфа электрона очень и очень мала, вскоре возникает вопрос: почему свет в комнате или в фонарике загорается сразу после включения переключателя? Разве не будет заметной задержки перед тем, как носитель заряда перейдет от переключателя к нити накала лампочки? Ответ — нет! и объяснение того, почему раскрывает значительную информацию о природе потока заряда в цепи.

Как было сказано выше, носителями заряда в проводах электрических цепей являются электроны. Эти электроны просто поставляются атомами меди (или любого другого материала, из которого сделана проволока) внутри металлической проволоки. Как только переключатель переводится в положение на , цепь замыкается, и на двух концах внешней цепи устанавливается разность электрических потенциалов. Сигнал электрического поля распространяется почти со скоростью света ко всем подвижным электронам в цепи, приказывая им начать марш и .По получении сигнала электроны начинают двигаться по зигзагообразной траектории в обычном направлении. Таким образом, щелчок переключателя вызывает немедленную реакцию во всех частях схемы, заставляя носители заряда повсюду двигаться в одном и том же направлении. В то время как фактическое движение носителей заряда происходит с низкой скоростью, сигнал, который информирует о начале движения, движется со скоростью, составляющей долю от скорости света.

Электроны, которые зажигают лампочку в фонарике, не должны сначала пройти от переключателя через 10 см провода к нити накала.Скорее, электроны, которые зажигают лампочку сразу после того, как переключатель переведен в положение на , являются электронами, которые присутствуют в самой нити накала. Когда переключатель повернут, все подвижные электроны повсюду начинают движение; и именно подвижные электроны, присутствующие в нити накала, непосредственно ответственны за зажигание ее колбы. Когда эти электроны покидают нить накала, в нее входят новые электроны, которые ответственны за зажигание лампы. Электроны движутся вместе, как вода в трубах дома.Когда кран поворачивается с на , вода в кране выходит из крана. Не нужно долго ждать, пока вода из точки входа в ваш дом пройдет по трубам к крану. Трубы уже заполнены водой, и вода во всем водном контуре одновременно приводится в движение.

Развиваемая здесь картина потока заряда представляет собой картину, в которой носители заряда подобны солдатам, идущим вместе, повсюду с одинаковой скоростью.Их движение начинается немедленно в ответ на установление электрического потенциала на двух концах цепи. В электрической цепи нет места, где носители заряда расходуются или расходуются. Хотя энергия, которой обладает заряд, может быть израсходована (или лучше сказать, что электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии), сами носители заряда не распадаются, не исчезают или иным образом не удаляются из схема. И нет места в цепи, где бы носители заряда начали скапливаться или накапливаться.Скорость, с которой заряд входит во внешнюю цепь на одном конце, такая же, как скорость, с которой заряд выходит из внешней цепи на другом конце. Ток — скорость потока заряда — везде одинакова. Поток заряда подобен движению солдат, идущих вместе, повсюду с одинаковой скоростью.

Проверьте свое понимание

1.Говорят, что ток существует всякий раз, когда _____.

а. провод заряжен

г. аккумулятор присутствует

г. электрические заряды несбалансированные

г. электрические заряды движутся по петле

2. У тока есть направление. По соглашению ток идет в направлении ___.

а. + заряды перемещаются

г.- электроны движутся

г. + движение электронов

3. Скорость дрейфа подвижных носителей заряда в электрических цепях ____.

а. очень быстро; меньше, но очень близко к скорости света

г. быстрый; быстрее, чем самая быстрая машина, но далеко не скорость света

г. медленный; медленнее Майкла Джексона пробегает 220-метровую

г.очень медленно; медленнее улитки

4. Если бы электрическую цепь можно было сравнить с водяной цепью в аквапарке, то ток был бы аналогичен ____.

Выбор:

5. На схеме справа изображен токопроводящий провод. Две площади поперечного сечения расположены на расстоянии 50 см друг от друга. Каждые 2,0 секунды через каждую из этих областей проходит заряд 10 ° C.Сила тока в этом проводе ____ А.

6. Используйте диаграмму справа, чтобы заполнить следующие утверждения:

а. Ток в один ампер — это поток заряда со скоростью _______ кулонов в секунду.

г. Когда заряд 8 C проходит через любую точку цепи за 2 секунды, ток составляет ________ A.

г. Если за 10 секунд поток заряда проходит через точку A (диаграмма справа) на 5 ° C, то ток равен _________ A.

г. Если ток в точке D равен 2,0 А, то _______ C заряда проходит через точку D за 10 секунд.

e. Если 12 ° C заряда пройдет мимо точки A за 3 секунды, то 8 C заряда пройдут мимо точки E за ________ секунд.

ф. Верно или неверно:

Ток в точке E значительно меньше тока в точке A, поскольку в лампочках расходуется заряд.

В каком направлении на самом деле течет ток?

Если вы спросите нескольких инженеров-электронщиков, техников, ученых или профессоров, как протекает ток в электрической цепи, некоторые скажут вам, что он течет от отрицательной клеммы источника питания через нагрузку к положительной клемме источника питания.Другие скажут вам прямо противоположное, что ток на самом деле течет от плюсовой стороны источника напряжения к минусу.

Кто прав? Как может так много технических профессионалов запутаться в такой простой вещи, как текущий поток? Знаем ли мы вообще, в каком направлении течет ток? И действительно ли имеет значение, в каком направлении течет ток? Давайте проясним все это.

Почему это так важно?

Основным принципом любого электронного приложения является контроль тока.Подумай об этом. Разве все, что мы делаем в электронике, не предназначено для управления током каким-либо образом, чтобы получить полезный результат, например, телевизор, компьютеры или сотовые телефоны? Взгляните на Рисунок 1 . Эта очень простая модель представляет все электронные приложения. Мы производим входы, которые представляют собой какой-то тип электронного сигнала, обрабатываем их определенным образом, а затем генерируем соответствующие выходные сигналы. Например, входной сигнал может поступать с микрофона. Он обрабатывается усилителем для увеличения уровня мощности.Выход приводит в движение динамик.

РИСУНОК 1. Упрощенная модель всех электронных схем и оборудования.

Теперь посмотрим еще раз, что находится в поле с надписью «процесс» на рис. , рис. 1 . В простейшей форме это может быть всего лишь один электронный компонент, например резистор. Но это также может быть схема, такая как инструментальный усилитель, или миллионы полевых МОП-транзисторов, как в микропроцессоре Pentium.

Теперь посмотрим на Рисунок 2 . Вот еще один способ помочь вам визуализировать, что происходит во всех электрических или электронных цепях.Источник напряжения инициирует ток в нагрузке. Источником напряжения может быть батарея, генератор сигналов, источник питания, радиосигнал или сигнал от преобразователя, такого как микрофон или фотоэлемент. Нагрузка — это устройство, которое дает полезный конечный результат. Это может быть лампочка, нагревательный элемент, двигатель, соленоид или просто другая электронная схема. Теперь обратите внимание на элемент управления. Это электронный компонент или схема, которая контролирует ток в нагрузке.

РИСУНОК 2. Упрощенное объяснение того, как работают все электронные схемы.

Схемы управления могут быть более сложными, например операционный усилитель или набор логических вентилей, или даже полный набор различных электронных схем. Компоненты и схемы управляют током, создаваемым начальным входом, различными способами, иногда с помощью множества различных последовательных и параллельных шагов, до тех пор, пока не будет сгенерирован соответствующий выходной сигнал. Суть в том, что генерация и управление током — это и есть вся электроника.

Зависимость условного тока от потока электронов

Ученые, инженеры, профессора колледжей и другие уже более 100 лет знают, что ток действительно перемещает электроны. Тем не менее, они продолжали использовать исходную модель протока положительно-отрицательного тока. Это стало известно как обычный ток (CCF). Сегодня эта концепция все еще широко используется и почти повсеместно преподается в научных и инженерных программах.

Только в середине 20-го века электронный поток (EF) получил широкое распространение.Это произошло в результате массового обучения техников-электронщиков во время Второй мировой войны. Армия и флот решили, что поток электронов более уместен, чем обычный поток, поэтому они разработали все свои классы и учебные материалы с использованием потока электронов. После войны поток электронов прижился и стал основным способом обучения техников в общественных колледжах, технических институтах и ​​профессиональных училищах. Почему научное, инженерное и академическое сообщества отказались перейти на электронный поток, неизвестно.Вероятно, возникло ощущение, что теория электричества всегда преподавалась с использованием традиционной модели протекания тока, и не было особой необходимости, желания или причины для изменений. Изменения — это сложно, а традиции умирают с трудом.

Что такое электрон?

Электрон — это субатомная частица, одна из нескольких различных частей атома. Атомы — это крошечные частицы, из которых состоит вся материя. Все, что мы знаем, чувствуем, видим, прикасаемся и обоняем, состоит из атомов. Атомы — это мельчайшие частицы материалов, которые мы называем элементами.Элементы — это основные строительные блоки природы. Типичные элементы — кислород, водород, углерод, медь, серебро, золото и кремний. Если вы, например, возьмете кусок меди и разделите его снова и снова, пока не получите наименьший возможный кусок, который все еще распознается как медь, то у вас будет один атом меди. Все, что не является основным элементом, состоит из двух или более элементов, объединенных в то, что мы называем соединениями. Вода — это соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода, ну вы знаете, h3O.Соль — это соединение натрия и хлора (HCl). Самая маленькая распознаваемая частица соединения называется молекулой.

Атомы можно разделить на более мелкие части. Поскольку на самом деле никто никогда не видел атома, физики веками строили теории о том, как атом выглядит и из чего состоит. Одна популярная теория гласит, что атом состоит из центрального ядра, состоящего из крошечных частиц, называемых протонами и нейтронами. Протоны имеют положительный электрический заряд. Нейтроны, конечно, нейтральны.Вокруг ядра вращаются кольца или оболочки электронов. Электроны имеют отрицательный электрический заряд. Электронов столько же, сколько протонов, поэтому атом электрически сбалансирован или нейтрален. Число протонов в атоме — это его атомный номер, и это число определяет характеристики элемента.

На рисунке 3 показан атом меди. Есть 29 протонов и 29 электронов. Обратите внимание на внешнюю оболочку атома. Это называется валентной оболочкой, поскольку она содержит электроны, которые объединяются и реагируют с другими элементами, образуя химические связи в соединениях.

РИСУНОК 3. Атом меди.

И именно электрон или электроны во внешней валентной оболочке высвобождаются, чтобы создать ток в электрических и электронных компонентах и ​​схемах.

Как течет ток

Ток в большинстве электрических и электронных цепей — это поток электронов. Однако есть некоторые особые случаи, когда задействованы и другие частицы. Предположим, что медный провод подключен между положительной и отрицательной клеммами элемента фонарика, как показано на рис. 4 .Избыток электронов накапливается на отрицательном выводе ячейки, в то время как на положительном выводе электронов не хватает. Это состояние вызвано химическим воздействием в клетке.

РИСУНОК 4. Электронный поток в медной проволоке.

Когда медный провод подсоединяется к ячейке, происходят две вещи. Во-первых, положительный вывод отводит валентные электроны от атомов меди в проводе. Когда атом теряет один или несколько электронов, он становится положительным ионом, потому что теперь у него больше протонов, чем электронов.Будучи положительными, ионы притягивают другие отрицательные электроны от соседних атомов, создавая цепную реакцию протекания тока.

В тот же момент отрицательный вывод ячейки отталкивает валентные электроны от соседних атомов в медной проволоке. Эти освобожденные электроны притягиваются к положительным ионам, создаваемым положительным выводом ячейки. Конечным результатом является массовое движение электронов от отрицательной клеммы батареи к положительной. Так протекает ток в проводах и кабелях, а также в большинстве электронных компонентов.

Не весь ток протекает за счет движения электронов. В некоторых случаях ток на самом деле является движением других носителей тока. Например, отверстия являются уникальными для протекания тока в определенных типах полупроводниковых материалов. Ионный поток — это метод протекания тока в плазме и электрохимических реакций в батареях.

Течение тока в полупроводниках

Полупроводник — это особый тип материала, удельное сопротивление или проводимость которого находится где-то между хорошими проводниками, такими как медь и алюминий, и изоляторами, такими как стекло, керамика или пластик.Полупроводники уникальны тем, что они могут иметь любую желаемую степень проводимости. Конечно, полупроводники — это материалы, из которых сделаны диоды, транзисторы и интегральные схемы.

Наиболее распространенным полупроводниковым материалом является элемент кремний (Si). Германий (Ge) — еще один полупроводниковый элемент. Существуют также полупроводниковые соединения, такие как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и кремний-германий (SiGe). Кремний, как и другие полупроводниковые материалы, уникален тем, что имеет четыре валентных электрона.Эта характеристика заставляет атомы кремния связываться вместе таким образом, что они разделяют свои валентные электроны. Результатом является уникальная структура кристаллической решетки, подобная той, что показана на Рис. 5 . Показаны только валентные электроны. Обратите внимание, как атомы разделяют валентные электроны с соседними атомами. В результате каждый атом думает, что на его внешней орбите находится восемь электронов. Это делает материал чрезвычайно стабильным.

РИСУНОК 5. Чистый кремний состоит из атомов, которые образуют ковалентные связи с соседними атомами, образуя структуру кристаллической решетки.

Атомы кремния образуют так называемую структуру кристаллической решетки. Все валентные электроны полностью заняты, так как они распределяются между атомами. Это означает, что в структуре кристаллической решетки чистого кремния нет электронов, доступных для электронного потока, поскольку все они заняты своими ковалентными связями. В результате полупроводники, такие как кремний в чистом виде, по сути, являются изоляторами.Конечно, если к кремнию приложить достаточно тепла или приложить высокое внешнее напряжение, некоторые электроны могут высвободиться, что вызовет протекание небольшого количества тока.

Чтобы сделать кремний проводящим, мы добавляем в него другие химические вещества. Этот процесс называется допингом. Легируя кремний химическими веществами, которые имеют три или пять валентных электронов, мы можем создать кремний, в котором легко течет ток. Рисунок 6 показывает, что происходит, когда мы добавляем в кремний мышьяк (As). Мышьяк имеет пять валентных электронов.Четыре электрона соединяются с электронами в соседних атомах кремния, как и раньше, с образованием ковалентных связей. Однако остался один лишний электрон. Этот дополнительный электрон доступен для протекания тока.

РИСУНОК 6. Полупроводниковый материал N-типа использует электроны для протекания тока.

Кремний, легированный химическими веществами, имеющими дополнительный электрон, называется полупроводником N-типа. «N» означает отрицательный, что относится к дополнительному отрицательному электрону.Когда внешнее напряжение подается на кусок полупроводникового материала N-типа, ток легко течет, поскольку несвязанные электроны притягиваются и протягиваются через кремний внешним напряжением. Если кремний сильно легирован мышьяком, доступно много свободных электронов и будет течь большой ток. Это то же самое, что сказать, что у материала очень низкое сопротивление. Если добавлено только несколько атомов мышьяка, меньше электронов доступно для протекания тока, поэтому уровень тока будет меньше при внешнем напряжении.Такой материал имеет гораздо более высокую стойкость.

Как видите, ток в полупроводниковом материале N-типа по-прежнему осуществляется электронами. Однако мы также можем легировать кремний материалом, который имеет только три валентных электрона. Это проиллюстрировано на рис. 7 , где кремний легирован атомами бора (B).

РИСУНОК 7. Полупроводниковый материал P-типа, в котором дырки являются носителями тока.

Три валентных электрона в атоме бора образуют ковалентные связи с соседними атомами кремния.Однако у одного из атомов кремния отсутствует электрон. Этот недостающий валентный электрон называется дыркой. Следовательно, дырка — это не настоящая частица, а просто вакансия в валентной оболочке структуры кристаллической решетки, которая действует как носитель тока. Эта вакансия или дыра имеет положительный заряд. Если электрон проходит рядом с отверстием, он притягивается и заполняет отверстие, завершая ковалентную связь.

Ток в этом типе полупроводникового материала протекает через отверстия.Этот тип полупроводникового материала называется материалом P-типа. P означает положительный, что относится к заряду отверстия.

Когда электрическое напряжение подается на кусок полупроводникового материала P-типа, электроны перетекают в материал с отрицательной клеммы источника напряжения и заполняют отверстия. Положительный заряд внешнего источника напряжения вытягивает электроны с внешних орбит, создавая новые дыры. Таким образом, электроны перемещаются от дырки к дырке. Электроны по-прежнему текут от отрицательного к положительному, но дырки перемещаются от положительного к отрицательному, поскольку они создаются внешним зарядом.

Ионный поток

В некоторых типах материалов, особенно в жидкостях и плазме, ток представляет собой комбинацию электронов и ионов.

На рисунке 8 показан упрощенный чертеж ячейки напряжения. Все элементы состоят из двух электродов из разных материалов, погруженных в химикат, называемый электролитом. Происходящая химическая реакция разделяет создаваемые заряды. Электроны накапливаются на одном электроде, поскольку он отдает положительные ионы, создавая отрицательный вывод, в то время как электроны вытягиваются из другого электрода, создавая положительный вывод.

РИСУНОК 8. Течение тока в химической ячейке.

Всякий раз, когда вы подключаете внешнюю нагрузку к этой батарее, электроны текут от отрицательной пластины через нагрузку к положительному электроду. Внутри ячейки электроны текут от положительного к отрицательному, а положительные ионы — от отрицательного к положительному.

Жизнь в отрицании

Итак, почему мы продолжаем увековечивать миф об обычном потоке тока (CCF), когда мы уже сто лет знаем, что ток в большинстве электрических и электронных цепей является потоком электронов (EF)? Я уже много лет задаю этот вопрос своим коллегам и другим специалистам в сфере промышленности и науки.Несмотря на то, что поток электронов — это реальность, все инженерные школы настаивают на преподавании CCF. Если вы служили в вооруженных силах или поднялись по служебной лестнице в качестве технического специалиста, скорее всего, вы научились и предпочитаете поток электронов.

То, как вы выучили его в школе, вы обычно используете, когда разрабатываете, анализируете, устраняете неполадки или преподаете в реальном мире.

Это действительно важно?

Как вы, возможно, знаете, на самом деле не имеет значения, какое направление тока вы используете для анализа схемы и проектирования, работает в любом случае.Фактически, эта проблема затрагивает только DC, который течет только в одном направлении. В переменном токе электроны текут в обоих направлениях, перемещаясь вперед и назад с рабочей частотой. Но если на самом деле не имеет значения, в каком направлении мы принимаем участие, то почему бы нам не последовать истине и не положить конец этой чепухе раз и навсегда?

Заключение

Если вы когда-нибудь захотите завязать оживленную беседу или даже поспорить, попробуйте поднять эту тему в группе технических специалистов. Вы просто можете быть удивлены накалом чувств и ханжеством с обеих сторон.Я делал это много раз, и меня до сих пор поражает эмоциональная реакция, которую вызывает этот вопрос.

Я пришел к выводу, что концепция CCF никогда не будет оставлена. Это в некоторой степени похоже на принуждение всех нас перейти на метрическую систему измерения с использованием метров и Цельсия, а не футов и Фаренгейта, с которыми мы более знакомы и привыкли. С этого момента обучение CCF будет продолжено. Я пришел к выводу, что все это — одна из странных причуд электроники. NV

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Ранние исследователи электричества сначала открыли понятие напряжения и полярности, а позже определили ток как движение зарядов.Термин «напряжение» означает энергию, заставляющую ток течь. Первоначально напряжение создавалось статическими средствами, такими как трение или молния. Позже химические элементы и батареи использовались для создания постоянного заряда или напряжения. Затем были разработаны механические генераторы.

Заряды относятся к некоему физическому объекту, который движется, когда на него действует сила напряжения. Конечно, еще в 18 веке те, кто работал над электрическими проектами, толком не знали, что это за заряды.Насколько они знали, заряды могли быть микроминиатюрными фиолетовыми кубиками внутри провода или другого проводника. Что они действительно знали, так это то, что напряжение заставляло заряды двигаться. В целях анализа и обсуждения они произвольно предположили, что заряды были положительными и перетекали с положительного на отрицательный. Это ключевой момент. Они действительно не знали направления тока, поэтому предположили, что происходит. И, как оказалось, не угадали. Нет ничего плохого в том, чтобы ошибаться, поскольку ученые часто выдвигают одну гипотезу, а позже обнаруживают, что истина — это что-то другое.Большая ошибка состоит в том, что неверная гипотеза сохраняется и преподается как истина.

В конце 19 века было окончательно установлено, что обсуждаемые заряды на самом деле были электронами, а ток на самом деле представлял собой электроны, текущие от отрицательной клеммы источника напряжения через цепь к положительной стороне источника напряжения. Британский физик Джозеф Дж. Томсон сделал это открытие в 1897 году. Наконец-то правда была доказана и открыта.

Случай для обычного протекания тока.

1. Традиционно.
2. Большинство инженеров и некоторых технических специалистов узнали это таким образом.
3. Очень сложно изменить такие вещи, как учебники по инженерии и условные обозначения (стрелки на диодах и транзисторах указывают в направлении CCF).
4. Человеческая природа не терпит перемен.
5. CCF стал стандартом де-факто.

Корпус для электронного потока.

1. Это правда.
2. Работа электронных устройств легче объяснить и изучить с помощью электронного потока.
3. Почему бы не стандартизировать то, что есть на самом деле?

Общие сведения об электричестве — Узнайте об электричестве, токе, напряжении и сопротивлении

Обычный поток в сравнении с потоком электронов | Основные понятия электричества

«В стандартах хорошо то, что их так много, из чего можно выбирать. — Эндрю С. Таненбаум, профессор информатики

Заряд положительных и отрицательных электронов

Когда Бенджамин Франклин высказал свое предположение относительно направления потока заряда (от гладкого воска к грубой шерсти), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует по сей день, несмотря на тот факт, что мы знаем, что электроны являются составными единицами заряда. и что они перемещаются с шерсти на воск, а не с воска на шерсть, когда эти два вещества растираются друг с другом.Вот почему говорят, что электроны имеют отрицательный заряд : поскольку Франклин предполагал, что электрический заряд движется в направлении, противоположном его действительному, и поэтому объекты, которые он назвал «отрицательными» (представляющими недостаток заряда), на самом деле имеют избыток электронов. .

К тому времени, когда было обнаружено истинное направление электронного потока, терминология «положительного» и «отрицательного» уже была настолько прочно установлена ​​в научном сообществе, что не было предпринято никаких усилий, чтобы изменить ее, хотя называть электроны «положительными» было бы больше смысла в упоминании «лишнего» заряда.Видите ли, термины «положительный» и «отрицательный» — это изобретения человека, и как таковые не имеют абсолютного значения за пределами наших собственных условных обозначений языка и научного описания. Франклин мог бы так же легко назвать избыток заряда «черным», а недостаток — «белым», и в этом случае ученые могли бы говорить об электронах, имеющих «белый» заряд (предполагая ту же неверную гипотезу о положении заряда между парафином и шерсть).

Условное обозначение расхода

Однако, поскольку мы склонны ассоциировать слово «положительный» с «избытком», а «отрицательный» с «недостатком», стандартное обозначение заряда электрона кажется отсталым.Из-за этого многие инженеры решили сохранить старую концепцию электричества с «положительным», относящимся к избытку заряда, и соответственно обозначить поток заряда (ток). Это стало известно как условный поток обозначение:

Обозначение электронного потока

Другие решили обозначать поток заряда в соответствии с фактическим движением электронов в цепи. Эта форма символики стала известна как электронный поток обозначение:

В обычных обозначениях потока мы показываем движение заряда в соответствии с (технически неверными) метками + и -.Таким образом, этикетки имеют смысл, но направление потока заряда неверно. В обозначении электронного потока мы следим за фактическим движением электронов в цепи, но метки + и — кажутся обратными. Действительно ли имеет значение, как мы обозначаем поток заряда в цепи? Не совсем, если мы единообразно используем наши символы. Вы можете следить за воображаемым направлением тока (обычный поток) или за фактическим (поток электронов) с одинаковым успехом в том, что касается анализа схемы. Концепции напряжения, тока, сопротивления, непрерывности и даже математические трактовки, такие как закон Ома (глава 2) и законы Кирхгофа (глава 6), остаются столь же актуальными для любого стиля записи.

Условное обозначение потока по сравнению с обозначением электронного потока

Вы найдете условные обозначения потоков, используемые большинством инженеров-электриков и проиллюстрированные в большинстве учебников по инженерному делу. Электронный поток чаще всего встречается в вводных учебниках (этот, однако, от него отходят) и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердого тела, которые озабочены реальным движением электронов в веществах. Эти предпочтения носят культурный характер в том смысле, что определенные группы людей сочли выгодным представить себе движение электрического тока определенными способами.Поскольку большинство анализов электрических цепей не зависит от технически точного описания потока заряда, выбор между обычным обозначением потока и обозначением электронного потока является произвольным. . . почти.

Поляризация и неполяризация

Многие электрические устройства допускают наличие реальных токов любого направления без разницы в работе. Например, лампы накаливания (в которых используется тонкая металлическая нить накаливания, которая накаляется добела при достаточном токе), например, излучают свет с одинаковой эффективностью независимо от направления тока.Они даже хорошо работают на переменном токе (AC), где направление быстро меняется с течением времени. Проводники и переключатели работают независимо от направления тока. Технический термин для этой несущественности потока заряда — неполяризация . Тогда мы могли бы сказать, что лампы накаливания, переключатели и провода — это неполяризованных компонента . И наоборот, любое устройство, которое по-разному работает с токами разного направления, будет называться поляризованным устройством .

В электрических цепях используется много таких поляризованных устройств. Большинство из них состоит из так называемых полупроводниковых веществ , и поэтому они не рассматриваются подробно до третьего тома этой серии книг. Подобно выключателям, лампам и батареям, каждое из этих устройств представлено на схематической диаграмме уникальным символом. Как можно догадаться, символы поляризованных устройств обычно содержат где-то внутри стрелку, обозначающую предпочтительное или исключительное направление тока.Вот где действительно имеют значение конкурирующие обозначения обычного и электронного потока. Поскольку инженеры с давних пор выбрали условный поток как стандартную нотацию своей «культуры», и поскольку инженеры — это те же люди, которые изобретают электрические устройства и символы, их представляющие, все стрелки, используемые в символах этих устройств , указывают в направлении обычный поток, а не поток электронов . Другими словами, на всех символах этих устройств есть стрелки, указывающие на на фактический поток электронов через них.

Пожалуй, лучшим примером поляризованного устройства является диод . Диод — это односторонний «клапан» для электрического тока, аналог обратного клапана для тех, кто знаком с водопроводными и гидравлическими системами. В идеале диод обеспечивает беспрепятственное прохождение тока в одном направлении (небольшое сопротивление или его отсутствие), но предотвращает прохождение тока в другом направлении (бесконечное сопротивление). Его схематическое обозначение выглядит так:

Размещен в цепи батареи / лампы, работает как таковой:

Когда диод направлен в правильном направлении для пропускания тока, лампа светится.В противном случае диод блокирует протекание тока так же, как разрыв цепи, и лампа не будет гореть.

Если обозначить ток в цепи, используя обычное обозначение потока, символ стрелки на диоде будет иметь смысл: треугольная стрелка указывает в направлении потока заряда, от положительного к отрицательному:

С другой стороны, если мы используем обозначение потока электронов, чтобы показать истинное направление движения электронов по цепи, символ стрелки диода кажется обратным:

Только по этой причине многие люди предпочитают использовать условный поток при рисовании направления движения заряда в цепи.Если по какой-либо другой причине, символы, связанные с полупроводниковыми компонентами, такими как диоды, имеют больше смысла в этом случае. Однако другие предпочитают показывать истинное направление движения электронов, чтобы не говорить себе: «просто помните, что электроны на самом деле движутся в другую сторону» всякий раз, когда истинное направление движения электронов становится проблемой.

Что следует использовать: обычный ток или поток электронов?

Обе модели дадут точные результаты при последовательном использовании, и они одинаково «правильны», поскольку являются инструментами, которые помогают нам понимать и анализировать электрические схемы.Однако в контексте электротехники обычный ток гораздо более распространен. В этом учебнике используется обычный ток, и любой, кто намеревается изучать электронику в академической или профессиональной среде, должен научиться естественно думать об электрическом токе как о чем-то, что течет от более высокого напряжения к более низкому ».

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Условный ток относительно потока электронов

Условный ток относительно потока электронов

© 2015 Chris E. ChaulkVTR1R2R3ITIT

Нажмите кнопку вверху.

Обычный ток предполагает, что ток течет от положительной клеммы, через цепь к отрицательной клемме источника. Это было условием, выбранным при открытии электричества. Они были не правы!

Электронный поток — это то, что происходит на самом деле, и электроны текут из отрицательной клеммы через цепь и попадают в положительную клемму источника.

Используются как обычный ток, так и поток электронов.Многие учебники доступны в обоих форматах.

Floyd, 1989, Принципы электрических цепей , 5-е издание, версия для обычных токов.

Floyd, 1990, Принципы электрических цепей , 4-е издание, версия для электронного потока.

На самом деле, не имеет значения, в каком направлении протекает ток, если он используется последовательно . Направление тока не влияет на его действия.

Как правило, программа Electron Flow используется в программах средней школы по физике и двухгодичных программах для технических специалистов.

Но трехлетние технологические и университетские инженерные программы используют обычный ток. Определенные символы (например, диоды и транзисторы) и правила (например, правила правой руки) были созданы с использованием обычного тока. Переход от обычного тока к электронному потоку вызовет некоторую путаницу для старых и новых студентов, и возникнут ошибки, поэтому традиционный ток был сохранен, чтобы не было путаницы с теми, кто уже обучался с обычным током.Две системы могут показаться сбивающими с толку, но пока их использование единообразно, это не так!

Вы должны понимать, какое соглашение используется, потому что правила меняются. Бывший. Правила правой руки в обычном токе становятся правилами левой руки в электронном потоке. Пример

На протяжении всего курса используется обычный ток. Поэтому всегда предполагайте, что ток течет через положительный вывод источника.

ELTK1100

КАК ДЕЙСТВИТЕЛЬНО течет ток?

Сегодняшние устройства Интернета вещей очень разнообразны.Это могут быть довольно простые устройства, такие как датчики, передающие простые данные, или датчики, передающие большие объемы данных (например, видео). Они могут быть одноцелевыми (измерение температуры) или многоцелевыми (мобильные телефоны) со значительными подсистемами, такими как GPS, WLAN, Bluetooth и сотовая связь.

Все эти устройства объединяет то, что их можно охарактеризовать как небольшие, портативные, с питанием от батареи и беспроводным подключением. И в этом заключается проблема: среда IoT требует максимально длительного времени автономной работы, и системные инженеры часто вынуждены идти на компромисс, чтобы снизить текущие потребности как можно ниже.

К сожалению, эта стратегия оказывается в прямом конфликте с достижением максимальной целостности проекта. Показатели целостности высокоскоростных сигналов на устройствах IoT очень зависят от характеристик напряжения и тока батареи.

Эта проблема усугубляется тем, что скорость передачи данных увеличится с сотен кГц до Гбит / с. Более высокие скорости приводят к более высокому энергопотреблению, и здесь инженеры снова обратятся к топологиям, которые минимизируют энергопотребление. Когда мощность рассматривается как основная цель, другие стандартные рекомендации по проектированию не принимаются во внимание.

Например, передатчики в HDMI (и во многих стандартах) имеют резистор обратного согласования, чтобы минимизировать степень несоответствия (которое вызывает отражения). Проблема в том, что для подачи напряжения на приемник может потребоваться от 30 до 100% больше размаха напряжения, чтобы пройти через резистор обратного согласования. Результат? Потерянная сила.

Высокоскоростные сигналы MIPI для дисплеев и камер обычно встречаются в этих типах устройств. Это, вероятно, самые энергоемкие компоненты из всех и особенно проблематичные для инженеров.

Плохая целостность сигнала напрямую влияет на скорость передачи данных. В некоторых случаях, таких как USB 3, ошибки приемника могут вызывать повторную передачу пакетов. Это снижает эффективную скорость передачи данных, хотя во многих случаях этого не происходит, потому что система предназначена для восстановления. Не только для новых устройств IoT, но и другие проблемы с целостностью сигнала — это часто пропущенные вызовы и ошибки пикселей на экране телевизора. На самом деле телевизоры — это особый случай, поскольку кабельные системы часто разделены на несколько частей, а соотношение сигнал / шум очень и очень незначительно.

Любой шум и нестабильность могут вызвать ухудшение высокоскоростных сигналов. Вот почему целостность питания также становится все более важной для проверки IoT. Кроме того, высокоскоростные сигналы распределяются более плотно в устройствах IoT, что приводит к таким проблемам, как перекрестные помехи и связь.

Когда несколько подсистем сосуществуют таким образом, интерференция друг с другом реальна, и оптимизация одного устройства приведет к компромиссам в других частях конструкции. Механизмы радиочастотных помех и цифровых перекрестных помех являются общими проблемами.

Хотя радиочастотные помехи часто можно устранить с помощью дополнительного экранирования, это может быть дорогостоящим подходом. В качестве альтернативы инженерам потребуется больше времени на проверку интерфейсов, чтобы гарантировать правильную работу высокоскоростных сигналов при различных уровнях окружающей среды, температуры и напряжения.

Но подождите, есть еще кое-что: учитывая сжатые жизненные циклы продуктов в области Интернета вещей, инженеры часто пропускают этап прототипирования, чтобы быстрее вывести свои проекты на рынок.По крайней мере, это требует моделирования среды, измерения и оценки бюджетов каналов для цифровых систем, перекрестных помех и так далее.

Итак, как инженеры могут добиться успеха в проектировании для Интернета вещей с помощью подхода «только одна попытка»? Понимание эффектов помех, бюджетов каналов и т. Д. Имеет решающее значение. И определение правильных инструментов — программные решения для тестирования, зондирования и анализа для быстрого выявления, количественной оценки и устранения перекрестных помех для быстрого анализа и проверки проектов будут иметь ключевое значение.