Основные характеристики постоянного электрического тока: величина /сила/ тока, плотность тока. Сторонние силы. Величина тока это

величина /сила/ тока, плотность тока. Сторонние силы

Скалярная физическая величина, которая показывает, какой заряд переносится носителями через рассматриваемую поверхность (например, через поперечное сечение проводника) в единицу времени, называется величиной (силой) тока:

. (5.1)

В системе СИ сила тока измеряется в амперах (А). Ампер - это сила такого электрического тока, который, проходя по двум прямолинейным бесконечным проводникам, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает на каждом участке длиной 1 м силу взаимодействия 2×10-7 Н.

Векторная физическая величина, численно равная силе тока через площадку dS, перпендикулярную направлению движения электрических зарядов (электрического тока), называется плотностью тока:

. (5.2)

Плотность тока – векторная величина. За направление вектора плотности электрического тока j принимается направление вектора скорости упорядоченного движения положительных зарядов.

Зная вектор плотности тока j в любой точке проводника, можно определить величину тока через любую поверхность:

, (5.3)

где jn = j×cosa – проекция вектора плотности тока на направление тока;

a – угол между векторами j и n (положительной нормали к площадке dS).

Таким образом, сила тока через какую-либо поверхность является потоком вектора плотности тока через поверхность.

Если имеется некоторый объем проводника V, ограниченный поверхностью S, то выражение определяет заряд, выходящий из объема V в единицу времени. При этом скорость убывания заряда, находящегося в данном объеме (на основании закона сохранения заряда),

, (5.4)

где .

Подставляя значение заряда в формулу (5.4) получим

или

. (5.5)

Преобразуем левую часть выражения (5.5) по теореме Остроградского-Гаусса ( ):

. (5.6)

Следовательно, имеем

.

Откуда

. (5.7)

Соотношение (5.7) является уравнением непрерывности для вектора плотности электрического тока. Оно выражает закон сохранения электрических зарядов.

Уравнение непрерывности вектора плотности электрического тока позволяет ввести (по аналогии с линиями вектора напряженности электрического поля E) линии вектора плотности электрического тока. Так как для стационарного (постоянного) тока

, (5.8)

то можно утверждать, что линии вектора плотности электрического тока всегда замкнуты (рис. 5.1).

При наличии тока в проводнике j ¹0 и, следовательно, E ¹ 0. Таким образом, внутри проводника с током имеется электрическое поле (в электростатике поле внутри проводника нет). Кроме того, плотность постоянного тока по сечению проводника распределена неравномерно.

Вблизи поверхности проводника плотность тока может быть направлена только по касательной к поверхности проводника. Это означает, что и напряженность электрического поля E вблизи поверхности проводника направлена по касательной к его поверхности. Что касается эквипотенциальных поверхностей, то они перпендикулярны поверхности проводника. При этом эквипотенциальные поверхности изогнутых проводников не могут находиться на неизменном расстоянии друг от друга во всех точках проводника. Например, в кольцевом проводнике круглого сечения расстояние между эквипотенциальными поверхностями на внутренней части кольца меньше, чем на внешней. Так как расстояние между соседними эквипотенциальными поверхностями изменяется, то изменяется и напряженность электрического поля в соответствующих точках эквипотенциальных поверхностей. А это и означает, что плотность тока в однородных проводниках изменяется по сечению.

Надо отметить, что в круговом проводнике цилиндрической формы бесконечной длины (в линейном проводнике) эквипотенциальные поверхности внутри проводника представляют собой плоскости, перпендикулярные оси проводника. Поэтому по сечению такого проводника плотность электрического тока и напряженность электрического поля постоянны.

Таким образом, вблизи поверхности вне проводника имеется электрическое поле, тангенциальная составляющая вектора напряженности Ei которого равна тангенциальной составляющей вектора напряженности электрического поля внутри проводника (рис. 5.2).

В однородных проводниках первого рода источником электрического поля являются поверхностные заряды. Поверхностная плотность этих зарядов

, (5.9)

где En – нормальная составляющая вектора напряженности электрического поля вблизи его поверхности.

В общем случае силовые линии электрического поля – не касательные к поверхности проводника. Это означает, что наряду с тангенциальной составляющей вектора напряженности электрического поля вблизи поверхности проводника имеется также нормальная составляющая вектора E(рис. 5.3). При этом внутри проводника En = 0. Поверхностная плотность электрических зарядов на различных участках проводника может быть как положительной, так и отрицательной.

В неоднородных проводниках проводимость проводников может изменяться от точки к точке в объеме проводника. В стационарном случае , а , где объемная плотность зарядов, равная сумме объемной плотности свободных зарядов r1 и объемной плотности связанных зарядов rсв,

.

Тогда

, (5.10)

где g – удельная проводимость проводника.

Учитывая выражение , имеем

. (5.11)

Направляя ось X вдоль прямолинейного участка проводника и считая, что его свойства изменяются только в этом направлении, формулу (5.11) можно переписать в виде

. (5.12)

Если проводимость проводника уменьшается в направлении тока проводимости, то объемная плотность заряда положительна. Это связано с тем, что при постоянной площади сечения проводника плотность тока должна быть постоянной, поэтому для поддержания постоянства тока необходимо увеличивать напряженность электрического поля. Увеличение напряженности электрического поля обеспечивается объемными положительными зарядами.

Аналогично можно объяснить возникновение отрицательных объемных зарядов при увеличении проводимости проводника в направлении тока.

Ток, не изменяющийся по величине и направлению с течением времени, называют постоянным.

Для постоянного электрического тока

; . (5.13)

Существование постоянного тока в проводниках возможно при наличии сторонних сил, которые не могут иметь электростатическое происхождение. Это связано с тем, что электростатическое поле является потенциальным. Следовательно, работа, совершаемая электростатическими силами по замкнутому контуру, в котором существует ток, равна нулю, т. е. при этих условиях существование электрического тока в проводнике невозможно, так как он должен совершать работу по преодолению электрического сопротивления проводника. Существование тока в проводниках доказывает, что сторонние силы имеют не электростатическое происхождение.

Сторонние силы могут быть любой природы, например механической или электрической (сила, действующая на заряд в электрическом поле, возникающем по закону электромагнитной индукции).

Схема простейшего источника тока, в котором сторонняя сила (сторонняя ЭДС) имеет механическое происхождение, представлена на рис. 5.4.

Между электродами ¢А¢ и ¢В¢ имеется нейтральна среда с равным числом положительных и отрицательных зарядов. Сторонняя сила неэлектростатического происхождения перемещает положитель-ные заряды к электроду ¢В¢, а отрицательные – к электроду ¢А¢. В результате этого электрод ¢А¢ заряжается отрицательно, а электрод ¢В¢ - положительно. Во внешней цепи от ¢В¢ к ¢А¢ течет электрический ток, совершающий соответствующую работу. Необходимая для этого энергия сообщается системе сторонними силами, которые совершают работу по разделению электрических зарядов между электродами ¢А¢ и ¢В¢ и доставку этих зарядов на электроды против сил электрического поля с напряженностью E, существующего между электродами. Ток между электродами ¢А¢ и ¢В¢ внутри источника замыкает ток во внешней цепи. Если направление тока рассматривать относительно электродов, то во внешней цепи ток течет от положительного электрода к отрицательному электроду, а внутри источника – от отрицательного электрода к положительному.

Таким образом, сторонние силы разделяют электрические заряды в источниках тока, действуют против кулоновских сил, связывающих разноименные заряды, и характеризуются той работой, которую способны совершить против сил электрического поля внутри источника и против механических сил сопротивления в источнике:

, (5.14)

где Aст – работа сторонних сил;

Aис – работа сторонних сил против механических сил сопротивления;

A' – работа сторонних сил против кулоновских сил.

Выражение (5.14) отображает закон сохранения энергии для источника тока. Работа сторонних сил Aис равна работе, совершаемой электрическими силами вне источника. Следовательно, источник тока является источником той энергии, которая выделяется во внешнем (по отношению к источнику) участке цепи, тем самым создает разность потенциалов на концах проводника. Для поддержания постоянной разности потенциалов в источнике тока должна непрерывно совершаться работа Aис, которая компенсирует потерю энергии во внешней цепи.

5.3. Электродвижущая сила (ЭДС), напряжение и разность потенциалов. Их физический смысл. Связь между ЭДС, напряжением и разностью потенциалов

Физическая величина, равная работе сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда вдоль всей цепи, включая источник тока, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС) :

. (5.15)

Работа сторонних сил вдоль замкнутой цепи

, (5.16)

где E* – напряженность поля сторонних сил.

Тогда

. (5.17)

При движении зарядов в проводнике кроме сторонних сил на них действуют силы электростатического поля ( ). Следовательно, в любой точке цепи на заряд q действует результирующая сила:

. (5.18)

Работа, совершаемая этой силой на участке 1 – 2,

(5.19)

Физическая величина, численно равная работе сторонних и электрических сил по перемещению положительного единичного заряда на данном участке цепи, называется падением напряжения или напряжением на данном участке цепи:

. (5.20)

Если на участке цепи отсутствует ЭДС ( ), то

. (5.21)

При j1 - j2 = 0,

. (5.22)

Измеряются e, U, (j1 - j2) в системе СИ в вольтах (1 В).

 

Лекция 6. Классическая электронная теория проводимости металлов. Законы постоянного тока

Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах. Электрическое сопротивление проводников. Изменение сопротивления проводников от температуры и давления. Сверхпроводимость. Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное. Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам. Правила (законы) Кирхгофа и их применение к расчету простейших электрических цепей. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах. Энергия, выделяющаяся в цепи постоянного тока. Коэффициент полезного действия (КПД) источника постоянного тока.

6.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах

Классическая электронная теория проводимости металлов объясняет различные электрические свойства веществ существованием и движением в них так называемых квазисвободных электронов проводимости. Электроны проводимости при этом рассматриваются как электронный газ, подобный идеальному газу молекулярной физики.

До открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Опыт состоял в том, что через контакт двух различных металлов, например золота и серебра, в течение времени, исчисляемого многими месяцами, пропускали электрический ток. После чего исследовался материал вблизи контактов. Было показано, что никакого переноса вещества через границу различных металлов не наблюдается и вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. Опыты доказали, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока, но они не ответили на вопрос о природе носителей заряда в металлах.

Прямым доказательством, что электрический ток в металлах обусловливается движением электронов, были опыты Толмена и Стюарда, проведенные в 1916 г. Идея этих опытов была высказана Мандельштамом и Папалекси в 1913 г.

Представим себе проводящую катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжают движение по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

Обозначим линейное ускорение катушки при торможении –a. Оно направлено по касательной к поверхности катушки. При достаточно плотной намотке и тонких проводах можно считать, что ускорение направлено вдоль проводов. При торможении катушки к каждому свободному электрону приложена сила инерции Fин = me×a, направленная противоположно ускорению. Под ее действием электрон ведет себя в металле так, как если бы на него действовало эффективное электрическое поле с напряженностью

. 6.1)

Поэтому эффективная электродвижущая сила в катушке, обусловленная инерцией свободных электронов,

, (6.2)

где L – длина провода на катушке.

Все точки провода тормозятся с одинаковым ускорением, и поэтому ускорение вынесено за знак интеграла.

С учетом формулы (6.2) запишем закон Ома для замкнутой цепи в виде

, (6.3)

где I – сила тока в замкнутой цепи;

R – сопротивление всей цепи, включая сопротивление проводов катушки, проводов внешней цепи и гальванометра.

Количество электричества, протекшее через поперечное сечение проводника в течение времени dt при силе тока I,

. (6.4)

Поэтому в течение времени торможения катушки от начальной линейной скорости vo до полной остановки через гальванометр пройдет количество электричества

. (6.5)

Значение q определяется по гальванометру, а значения L, R, vo известны. Поэтому можно найти как знак, так и абсолютное значение e/me. Эксперименты показали, что e/me соответствует отношению заряда электрона к его массе. Таким образом, было доказано, что наблюдаемый с помощью гальванометра ток обусловлен движением электронов.

В отсутствие электрического поля в проводниках электроны проводимости движутся хаотично, в произвольных направлениях со скоростями, обусловленными температурой, т.е. с так называемой тепловой скоростью u.

Через определенный промежуток времени t = t, двигаясь по прямой, электрон проводимости может провзаимодействовать с ионом кристаллической решетки или с другим электроном проводимости. В результате такого взаимодействия, а оно считается в классической теории проводимости абсолютно упругим, сохраняются полные импульс и энергия, а величина и направление скорости движения могут измениться. Предельным является случай, когда через время, равное t (время свободного пробега), направление скорости теплового движения электрона проводимости изменяется на противоположное. Время свободного пробега зависит от природы вещества и тем меньше, чем чаще происходят взаимодействия. Между соударениями (взаимодействиями) со скоростью u ничего не происходит.

При наложении электричес-кого поля с напряженностью E под действием силы F = e×E электроны проводимости приоб-ретают некоторое ускорение a и направленное движение с изменяющейся скоростью от vo =0 до v = vmax за время t = t.

 

Изменение скорости направленного движения электрона проводимости происходит до его взаимодействия (рис. 6.1). В результате взаимодействия эта скорость так же может измениться как по величине, так и по направлению.

Если в единице объема проводника n электронов проводимости, которые в некоторый момент времени t обладают скоростью v, то можно определить заряд, прошедший через некоторую площадку S, расположенную перпендикулярно направлению скорости движения электронов проводимости:

, (6.6)

где <v> - средняя скорость упорядоченного движения электронов проводимости.

Сила (величина) тока в проводнике в этом случае

. (6.7)

Плотность тока проводимости

. (6.8)

В векторной форме

. (6.9)

Согласно (6.8) для определения плотности электрического тока в проводнике необходимо определить среднюю скорость упорядоченного движения электронов проводимости.

Средняя скорость упорядоченного движения в данном случае может быть определена по формуле

, (6.10)

т.к. в начальный момент времени t=0, когда отсутствует электрическое поле, vo=0.

Максимальная скорость упорядоченного движения, которую приобретает электрон под действием электрического поля за время свободного пробега,

,

где a – ускорение, приобретаемое электроном проводимости под действием электрического поля;

t – время пробега электрона проводимости от взаимодействия до взаимодействия.

На основании второго закона Ньютона F = m×a, где F - кулоновская сила,

F = eE.

Имеем:

;

;

. (6.11)

Для средней скорости упорядоченного движения электронов проводимости получим

. (6.12)

Зная среднюю скорость теплового движения электронов проводимости и среднее расстояние, проходимое ими от взаимодействия до взаимодействия, можно определить время между двумя последующими взаимодействиями:

. (6.13)

Сделав подстановку и необходимые преобразования, для плотности тока проводимости будем иметь

, (6.14)

где - удельная электропроводность металла проводника.

В векторной форме

. (6.15)

Выражения (6.14) и (22.15) являются математической формой записи закона Ома в дифференциальной форме.

Закон Ома в дифференциальной форме справедлив для любых проводников, любых токов, характеризует плотность тока проводимости в любой точке проводника.

Из закона Ома в дифференциальной форме можно получить закон Ома в интегральной форме для замкнутой (или полной) цепи. Для чего выражение (6.15) умножим на величину элементарного участка цепи dl:

,

где ; ; .

Таким образом, имеем

или

; . (6.16)

Проинтегрировав выражение (6.16) по замкнутому контуру L, получим

, (6.17)

где – сопротивление внешнего и внутреннего участков цепи;

– ЭДС, действующая в замкнутой цепи, численно равная циркуляции вектора напряженности поля сторонних сил;

– разность потенциалов между двумя рассматриваемыми точками замкнутой цепи.

Для замкнутой цепи

(j1 - j2) = 0; .

Таким образом, имеем

или , (6.18)

где R1 – сопротивление внешнего участка цепи;

r – внутреннее сопротивление источника тока.

Из формулы (6.18)

. (6.19)

Следовательно, ЭДС уравновешивает падение напряжения во внешней и внутренней цепи и тем самым обеспечивает непрерывное движение электронов проводимости.

Если цепь не замкнута и в ней отсутствует ЭДС, то

, а . (6.20)

Выражения (6.18) и (6.20) являются математической формой записи закона Ома, соответственно, для полной (замкнутой) цепи и участка цепи, который был открыт им экспериментально. Сила тока в цепи прямопропорциональна ЭДС (напряжению на участке цепи) и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

6.2. Электрическое сопротивление проводников.Изменение сопротивления проводников от температуры и давления. Сверхпроводимость

Из выражения видно, что удельная электропроводимость проводников, а следовательно, удельное электросопротивление и сопротивление зависят от материала проводника и его состояния. Состояние проводника может изменяться в зависимости от различных внешних факторов давления (механических напряжений, внешних сил, сжатия, растяжения и т.д., т.е. факторов, влияющих на кристаллическое строение металлических проводников) и температуры.

Электрическое сопротивление проводников (сопротивление) зависит от формы, размеров, материала проводника, давления и температуры:

. (6.21)

При этом зависимость удельного электрического сопротивления проводников и сопротивления проводников от температуры, как было установлено экспериментально, описывается линейными законами:

; (6.22)

, (6.23)

где rt и ro, Rt и Ro - соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при t = 0 oC;

или . (6.24)

Из формулы (6.23) температурная зависимость сопротивления проводников

, (6.25)

где T – термодинамическая температура.

График зависимости сопротивления проводников от температуры представлен на рис. 6.2. График зависимости удельного сопротивления r металлов от абсолютной температуры T представлен на рис. 6.3.

Согласно классической электронной теории металлов в идеальной кристаллической решетке (идеальном проводнике) электроны движутся, не испытывая электрического сопротивления (r = 0). С точки зрения современных представлений, причинами, вызывающими появление электрического сопротивления в металлах, являются посторонние примеси и дефекты кристаллической решетки, а также тепловое движение атомов металла, амплитуда которых зависит от температуры.

Правило Матиссена утверждает, что зависимость удельного электрического сопротивления от температуры r(T) является сложной функцией, которая состоит из двух независимых слагаемых:

, (6.26)

где rост – остаточное удельное сопротивление;

rид – идеальное удельное сопротивление металла, которое соответствует сопротивлению абсолютно чистого металла и определяется лишь тепловыми колебаниями атомов.

На основании формул (6.25) удельное сопротивление идеального металла должно стремиться к нулю, когда T ® 0 (кривая 1 на рис. 6.3). Однако удельное сопротивление как функция температуры является суммой независимых слагаемых rид и rост. Поэтому в связи с наличием примесей и других дефектов кристаллической решетки металла удельное сопротивление r(T) при понижении температуры стремится к некоторой постоянной конечной величине rост (кривая 2 на рис. 6.3). Иногда переходя минимум, несколько повышается при дальнейшем понижении температуры (кривая 3 на рис. 6.3). Величина остаточного удельного сопротивления зависит от наличия дефектов в решетке и содержания примесей, возрастает при увеличении их концентрации. Если количество примесей и дефектов кристаллической решетки свести к минимуму, то остается еще один фактор, влияющий на электрическое удельное сопротивление металлов, - тепловое колебание атомов, которое, как утверждает квантовая механика, не прекращается и при температуре абсолютного нуля. В результате этих колебаний решетка перестает быть идеальной, и в пространстве возникают переменные силы, действие которых приводит к рассеянию электронов, т.е. возникновению сопротивления.

В последствии было обнаружено, что сопротивление некоторых металлов (Al, Pb, Zn и др.) и их сплавов при низких температурах T (0,14¸20 К), называемых критическими, характерных для каждого вещества, скачкообразно уменьшается до нуля, т.е. металл становится абсолютным проводником. Впервые это явление, называемое сверхпроводимостью, обнаружено в 1911 г. Г. Камерлинг-Оннесом для ртути. Было обнаружено, что при Т = 4,2 К ртуть, по-видимому, полностью теряет сопротивление электрическому току. Уменьшение сопротивления происходит очень резко в интервале нескольких сотых градуса. В дальнейшем потеря сопротивления наблюдалась и у других чистых веществ и у многих сплавов. Температуры перехода в сверхпроводящее состояние различны, но всегда очень низки.

Возбудив электрический ток в кольце из сверхпроводящего материала (например, с помощью электромагнитной индукции), можно наблюдать, что его сила в течение нескольких лет не уменьшается. Это позволяет найти верхний предел удельного сопротивления сверхпроводников (менее 10-25 Ом×м), что гораздо меньше, чем удельное сопротивление меди при низкой температуре (~10-12 Ом× м). Поэтому принимается, что электрическое сопротивление сверхпроводников равно нулю. Сопротивление до перехода в сверхпроводящее состояние бывает самым различным. Многие из сверхпроводников при комнатной температуре имеют довольно высокое сопротивление. Переход в сверхпроводящее состояние совершается всегда очень резко. У чистых монокристаллов он занимает интервал температур меньший, чем одна тысячная градуса.

Сверхпроводимостью среди чистых веществ обладают алюминий, кадмий, цинк, индий, галлий. В процессе исследований оказалось, что структура кристаллической решетки, однородность и чистота материала оказывают значительное влияние на характер перехода в сверхпроводящее состояние. Это видно, например, на рис. 6.4, на котором приведены экспериментальные кривые перехода в сверхпроводящее состояние олова различной чистоты (кривая 1 – монокристаллическое олово; 2 – поликристаллическое олово; 3 – поликристаллическое олово с примесями).

В 1914 г. К. Оннес обнаружил, что сверхпроводящее состояние разрушается магнитным полем, когда магнитная индукция B превосходит некоторое критическое значение. Критическое значение индукции зависит от материала сверхпроводника и температуры. Критическое поле, разрушающее сверхпроводимость, может быть создано и самим сверхпроводящим током. Поэтому имеется критическая сила тока, при которой сверхпроводимость разрушается.

В 1933 г. Мейсснер и Оксенфельд обнаружили, что внутри сверхпроводящего тела полностью отсутствует магнитное поле. При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объема. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении удельного сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объеме должна сохраняться без изменения. Явление вытеснения магнитного поля из объема проводника называется эффектом Мейсснера. Эффект Мейсснера и отсутствие электрического сопротивления являются важнейшими свойствами сверхпроводника.

Отсутствие магнитного поля в объеме проводника позволяет заключить из общих законов магнитного поля, что в нем существует только поверхностный ток. Он физически реален и поэтому занимает некоторый тонкий слой вблизи поверхности. Магнитное поле тока уничтожает внутри проводника внешнее магнитное поле. В этом отношении сверхпроводник ведет себя формально как идеальный диамагнетик. Однако он не является диамагнетиком, поскольку внутри его намагниченность (вектор намагничивания) равна нулю.

Чистые вещества, у которых наблюдается явление сверхпроводимости, немногочисленны. Чаще сверхпроводимость наблюдается у сплавов. У чистых веществ имеет место только эффект Мейсснера, а у сплавов не происходит полного выталкивания магнитного поля из объема (наблюдается частичный эффект Мейсснера).

Вещества, в которых наблюдается полный эффект Мейсснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный – сверхпроводниками второго рода.

У сверхпроводников второго рода в объеме имеются круговые токи, создающие магнитное поле, которое, однако, заполняет не весь объем, а распределено в нем в виде отдельных нитей. Что же касается сопротивления, то оно равно нулю, как и у сверхпроводников первого рода.

По своей физической природе сверхпроводимость является сверхтекучестью жидкости, состоящей из электронов. Сверхтекучесть возникает из-за прекращения обмена энергией между сверхтекучей компонентой жидкости и ее другими частями, в результате чего исчезает трение. Существенным при этом является возможность "конденсации" молекул жидкости на низшем энергетическом уровне, отделенном от других уровней достаточно широкой энергетической щелью, которую силы взаимодействия не в состоянии преодолеть. В этом и состоит причина выключения взаимодействия. Для возможности нахождения на низшем уровне многих частиц необходимо, чтобы они подчинялись статистике Бозе-Эйнштейна, т.е. обладали целочисленным спином.

Электроны подчиняются статистике Ферми-Дирака и поэтому не могут "конденсироваться" на низшем энергетическом уровне и образовывать сверхтекучую электронную жидкость. Силы отталкивания между электронами в значительной степени компенсируются силами притяжения положительных ионов кристаллической решетки. Однако благодаря тепловым колебаниям атомов в узлах кристаллической решетки между электронами может возникнуть сила притяжения, и они тогда объединяются в пары. Пары электронов ведут себя как частицы с целочисленным спином, т.е. подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Они могут конденсироваться и образовывать ток сверхтекучей жидкости электронных пар, который и образует сверхпроводящий электрический ток. Выше низшего энергетического уровня имеется энергетическая щель, которую электронная пара не в состоянии преодолеть за счет энергии взаимодействия с остальными зарядами, т.е. не может изменить своего энергетического состояния. Поэтому электрическое сопротивление отсутствует.

Возможность образования электронных пар и их сверхтекучести объясняется квантовой теорией.

Практическое использование сверхпроводящих материалов (в обмотках сверхпроводящих магнитов, в системах памяти ЭВМ и др.) затруднено из-за низких их критических температур. В настоящее время обнаружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах выше 100 К (высокотемпературные сверхпроводники). Явление сверхпроводимости объясняется квантовой теорией.

Зависимость сопротивления проводников от температуры и давления используется в технике для измерения температуры (термометры сопротивления) и больших быстроизменяющихся давлений (электрические тензометры).

В системе СИ удельное электрическое сопротивление проводников измеряется в Ом×м, а сопротивление – в Ом. Один Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет постоянный ток силой 1А.

Электрической проводимостью называется величина, определяемая по формуле

. (6.27)

В системе СИ единицей проводимости является сименс. Один сименс (1 См) – проводимость участка цепи сопротивлением 1 Ом.

6.3. Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное. Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам

Похожие статьи:

poznayka.org

Введение, основные величины электрического тока

Основные величины электрического тока

Количество электричества и сила тока . Действия электрического тока могут быть сильными или слабыми. Сила действия электрического тока зависит от величины заряда, который протекает по цепи за определенную единицу времени.

Чем больше электронов переместилось от одного полюса источника к другому, тем больше общий заряд, перенесенный электронами. Такой общий заряд называется количество электричества, проходящее сквозь проводник.

От количества электричества зависит, в частности, химическое действие электрического тока, т. е. чем больший заряд прошел через раствор электролита, тем больше вещества осядет на катоде и аноде. В связи с этим количество электричества можно подсчитать, взвесив массу отложившегося на электроде вещества и зная массу и заряд одного иона этого вещества.

Силой тока называется величина, которая равна отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к времени его протекания. Единицей измерения заряда является кулон (Кл), время измеряется в секундах (с). В этом случае единица силы тока выражается в Кл/с. Такую единицу называют ампером (А).

Для того чтобы измерить силу тока в цепи, применяют электроизмерительный прибор, называемый амперметром. Для включения в цепь амперметр снабжен двумя клеммами. В цепь его включают последовательно.

Электрическое напряжение . Мы уже знаем, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц - электронов. Это движение. создается при помощи электрического поля, которое совершает при этом определенную работу. Это явление называется работой электрического тока.

Для того чтобы переместить больший заряд по электрической цепи за 1 с, электрическое поле должно выполнить большую работу. Исходя из этого, выясняется, что работа электрического тока должна зависеть от силы тока. Но существует и еще одно значение, от которого зависит работа тока. Эту величину называют напряжением.

Напряжение - это отношение работы тока на определенном участке электрической цепи к заряду, протекающему по этому же участку цепи. Работа тока измеряется в джоулях (Дж), заряд - в кулонах (Кл). В связи с этим единицей измерения напряжения станет 1 Дж/Кл. Данную единицу назвали вольтом (В).

Для того чтобы в электрической цепи возникло напряжение, нужен источник тока. При разомкнутой цепи напряжение имеется только на клеммах источника тока. Если этот источник тока включить в цепь, напряжение возникнет и на отдельных участках цепи.

В связи с этим появится и ток в цепи. То есть коротко можно сказать следующее: если в цепи нет напряжения, нет и тока.

Для того чтобы измерить напряжение, применяют электроизмерительный прибор, называемый вольтметром. Своим внешним видом он напоминает ранее упоминавшийся амперметр, с той лишь разницей, что на шкале вольтметра стоит буква V (вместо А на амперметре). Вольтмет

realapex.ru

Величина тока и напряжения

Основным фактором, влияющим на исход поражения человека электрическим током, является величина тока, которая согласно закону Ома зависит от величины приложенного напряжения и сопротивления тела человека. Эта зависимость не является линейной, так как при напряжениях около 100 В и выше наступает пробой верхнего рогового слоя кожи, вследствие чего электрическое сопротивление человека резко уменьшается (становится равным rвн), а ток возрастает. При этом степень отрицательного воздействия электрического тока на организм человека увеличивается с ростом величины тока. Напряжение, приложенное к телу человека, также влияет на исход поражения, но лишь постольку, поскольку оно определяет значение тока, проходящего через человека.

Обычно человек начинает ощущать раздражающее действие переменного тока промышленной частоты 50 Гц при величине 0,6-1,5 мА и постоянного тока 5-7 мА. Эти токи называются ощутимыми пороговыми токами. Они не представляют опасности для человека, и человек может самостоятельно отключиться от цепи.

При переменных токах 5-10 мА раздражающее действие электрического тока становится более сильным, появляется боль в мышцах и непроизвольное их сокращение. При токах 10-15 мА боль в мышцах становится такой сильной, что человек уже не в состоянии самостоятельно освободиться от действия тока (не может разжать руку, отбросить от себя провод и т.д.). Переменные токи 10-15 мА и выше и постоянные токи 50-80 мА и выше называются неотпускающими токами.

Переменный ток 25 мА и выше (в зависимости от того где человек прикоснулся к токоведущим частям – в зависимости от пути прохождения тока) воздействует на мышцы грудной клетки, что может привести к параличу дыхания и вызвать смерть человека.

Электрический ток около 100 мА и более при частоте 50 Гц и 300 мА и более при постоянном напряжении за короткое время (1-2 с) поражает мышцу сердца человека и вызывает его фибрилляцию. Эти токи называются фибрилляционными.

Токи более 5 А вызывают паралич сердца и дыхания, минуя стадию фибрилляции сердца. Если действие электрического тока было кратковременным (1-2 с) и не вызвало повреждения сердца, то после отключения тока оно, как правило, самостоятельно возобновляет свою нормальную деятельность. При длительном (несколько секунд) протекании тока более 5 А – происходят тяжелые ожоги, разрушение тканей организма человека.

При больших токах, даже в случае их кратковременного воздействия, наряду с остановкой сердца, происходит паралич дыхания, причём после отключения тока дыхание, как правило, самостоятельно не восстанавливается и требуется немедленная помощь пострадавшему в виде искусственного дыхания.

Ощутимый ток – электрический ток, вызывающий при прохождении через тело человека ощутимые раздражения.

Неотпускающий ток – электрический ток, вызывающий при прохождении через тело человека непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат провод.

Фибрилляционный ток – электрический ток, вызывающий при прохождении через тело человека фибрилляцию сердца.

Наименьшие значения этих токов называются пороговыми.

Пороговые значения ощутимого, неотпускающего, фибрилляционного токов, полученные в результате экспериментальных исследований, приведены в таблице 1.1.

 

 

Таблица 1.1.

Похожие статьи:

poznayka.org

Сила тока - это... Что такое Сила тока?

Основная статья: Сила тока

Силой тока называется физическая величина , равная отношению количества заряда , прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах.

По закону Ома сила тока для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка цепи :

 — где e — заряд электрона, n — концентрация частиц, S — площадь поперечного сечения проводника,  — средняя скорость упорядоченного движения электронов.

Единица измерения в СИ — 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду.

Для измерения силы тока используют специальный прибор — амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).

В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность).

Литература

• Б. М. Ярославский, Справочник по физике — М.,"Наука"

См. также

biograf.academic.ru

В какой величине измеряется сила тока. Что такое ток

Для измерения силы тока применяется измерительный прибор, который называется . Силу тока приходится измерять гораздо реже, чем напряжение или сопротивление , но, тем не менее, если нужно определить потребляемую мощность электроприбором, то без зная величины потребляемого ним тока, мощность не определить.

Ток, как и напряжение, бывает постоянным и переменным и для измерения их величины требуются разные измерительные приборы. Обозначается ток буквой I , а к числу, чтобы было ясно, что это величина тока, приписывается буква А . Например, I=5 A обозначает, что сила тока в измеренной цепи составляет 5 Ампер.

На измерительных приборах для измерения переменного тока перед буквой А ставится знак "~ ", а предназначенных для измерения постоянного тока ставится "– ". Например, –А означает, что прибор предназначен для измеренная силы постоянного тока.

О том, что такое ток и законы его протекания в популярной форме Вы можете прочитать в статье сайта «Закон силы тока» . Перед проведением измерений настоятельно рекомендую ознакомиться с этой небольшой статьей. На фотографии Амперметр, рассчитанный на измерение силы постоянного ток величиной до 3 Ампер.

Схема измерения величины протекающего тока Амперметром

Согласно закону, ток по проводам течет в любой точке замкнутой цепи одинаковой величины. Следовательно, чтобы измерять величину тока, нужно прибор подключить, разорвав цепь в любом удобном месте. Надо отметить, что при измерении величины тока не имеет значение, какое напряжение приложено к электрической цепи. Источником тока может быть и батарейка на 1,5 В, автомобильный аккумулятор на 12 В или бытовая электросеть 220 В или 380 В.

На схеме измерения также видно, как обозначается амперметр на электрических схемах. Это прописная буква А обведенная окружностью.

Приступая к измерению силы тока в цепи необходимо, как и при любых других измерениях, подготовить прибор, то есть установить переключатели в положение измерения тока с учетом рода его, постоянного или переменного. Если не известна ожидаемая величина тока, то переключатель устанавливается в положение измерения тока максимальной величины.

Как на практикеизмерять потребляемый электроприбором ток

Для удобства и безопасности работ по измерению потребляемого тока электроприборами необходимо сделать специальный удлинитель с двумя розетками. По внешнему виду самодельный удлинитель ничем не отличается от обыкновенного удлинителя.

Но если снять крышки с розеток, то не трудно заметить, что их выводы соединены не параллельно, как во всех удлинителях, а последовательно.

Как видно на фотографии сетевое напряжение подается на нижние клеммы розеток, а верхние выводы соединены между собой перемычкой из провода с желтой изоляцией.

Все подготовлено для измерения. Вставляете в любую из розеток вилку электроприбора, а в другую розетку, щупы амперметра. Перед измерениями, необходимо переключатели прибора установить в соответствии с видом тока (переменный или постоянный) и на максимальный предел измерения.

Как видно по показаниям амперметра, потребляемый ток прибора составил 0,25 А. Если шкала прибора не позволяет снимать прямой отсчет, как в моем случае, то необходимо выполнить расчет результатов, что очень неудобно. Так как выбран предел измерения амперметра 0,5 А, то чтобы узнать цену деления, нужно 0,5 А разделить на число делений на шкале. Для данного амперметра получается 0,5/100=0,005 А. Стрелка отклонилась на 50 делений. Значит нужно теперь 0,005×50=0,25 А.

Как видите, со стрелочных приборов снимать показания величины тока неудобно и можно легко допустить ошибку. Гораздо удобнее пользоваться цифровыми приборами, например мультиметром M890G.

На фотографии представлен универсальный мультиметр, включенный в режим измерения переменного тока на предел 10 А. Измеренный ток, потребляемый электроприбором составил 5,1 А при напряжении питания 220 В. Следовательно прибор потребляет мощность 1122 Вт.

У мультиметра предусмотрено два сектора для измерения тока, обозначенные буквами А– для постоянного тока и А~ для измерения переменного. Поэтому перед началом измерений нужно определить вид тока, оценить его величину и установить указатель переключателя в соответствующее положение.

Розетка мультиметра с надписью COM является общей для всех видов измерений. Розетки, обозначенные mA и 10А предназначены только для подключения щупа при измерении силы тока. При измеряемом токе менее 200 мA штекер щупа вставляется в розетку mA, а при токе величиной до 10 А в розетку 10А.

Внимание, если производить измерение тока, многократно превышающего 200 мА при нахождении вилки щупа в розетке mA, то мультиметр можно вывести из строя.

Если величина измеряемого тока не известна, то измерения нужно начинать, установив предел измерения 10 А. Если ток будет менее 200 мА, то тогда уже переключить прибор в соответствующее положение. Переключение режимов измерения мультиметра допустимо делать только обесточив измеряемую цепь .

Как рассчи

zgbox.ru

Постоянный ток — Википедия

Постоя́нный ток, (англ. direct current) — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

На рисунке справа красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени , а по вертикальной — масштаб тока или электрического напряжения . Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).

Величина постоянного тока и электрического напряжения для любого момента времени сохраняется неизменной.

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов).

Постоянный ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц.

В каждой точке проводника, по которому протекает постоянный ток, одни элементарные электрические заряды непрерывно сменяются другими, совершенно одинаковыми электрическими зарядами. Несмотря на непрерывное перемещение электрических зарядов вдоль проводника, общее пространственное их расположение внутри проводника как бы остаётся неизменным во времени, или стационарным.

Переносчиками электрических зарядов являются:

Постоянное движение электрических зарядов создаётся и поддерживается электрическим полем.

Электрическое поле, с помощью которого создаётся и поддерживается постоянный ток в проводнике и в соответствии с этим стационарное распределение в нём электрических зарядов, называется стационарным (неизменным во времени) электрическим полем.

Электрические заряды в стационарном электрическом поле нигде не накапливаются и нигде не исчезают, так как при всяком пространственном перераспределении зарядов неизбежно должно было бы измениться стационарное электрическое поле и соответственно ток перестал бы быть постоянным по времени.

Для стационарности поля и тока требуется, чтобы электрические заряды нигде не накапливались и нигде не терялись, а перемещались непрерывным и равномерным потоком вдоль проводников. Для этого необходимо, чтобы проводники совместно образовывали замкнутый на себя контур. В этом случае будет достигнуто непрерывное круговое равномерное движение электрических зарядов вдоль всего контура.

Постоянный электрический ток может существовать только в замкнутом на себя контуре, состоящем из совокупности проводников электричества, в котором действует стационарное электрическое поле.

Источники постоянного тока[править]

Самыми первыми источниками постоянного тока являлись химические источники тока: гальванические элементы, затем человечество изобрело аккумуляторы. Полярность химических источников тока самопроизвольно измениться не может.

Для получения постоянного тока в промышленных масштабах используют электрические машины — генераторы постоянного тока, а также солнечные батареи.

В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения постоянного тока используют блоки питания. Как правило, переменный ток понижается трансформатором до нужного значения, затем выпрямляется. Далее для уменьшения пульсаций используется сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор тока или стабилизатор напряжения или регулятор напряжения. В современной радиоэлектронной аппаратуре получили распространение импульсные блоки питания.

Электрическую энергию могут накапливать электрические конденсаторы. При разряде конденсатора во внешней цепи протекает постоянный ток. Однако, если конденсатор разряжается через катушку индуктивности, то в цепи появляется переменный ток, это устройство называется колебательный контур. Электролитические конденсаторы могут иметь очень большую электрическую ёмкость (сотни и тысячи микрофарад и более).

Ионисторы — гибрид конденсатора и химического источника тока, способны накапливать и отдавать довольно большое количество электрической энергии, например, чтобы электромобиль с ионисторами проехал некоторое расстояние.

Направление постоянного тока и обозначения на электроприборах и схемах[править]

Одно из условных обозначений постоянного тока на электроприборах

Условно принято считать (общепринято), что электрический ток в электрическом поле имеет направление от точек с бо́льшими потенциалами к точкам с меньшими потенциалами. Это значит, что направление постоянного электрического тока всегда совпадает с направлением движения положительных электрических зарядов, например положительных ионов в электролитах и газах. Там же, где электрический ток создаётся только движением потока отрицательно заряженных частиц, например, потока свободных электронов в металлах, за направление электрического тока принимают направление, противоположное движению электронов.

Точки с бо́льшими потенциалами (например, на зажимах батареек и аккумуляторов) носят название «положи́тельный по́люс» и обозначаются знаком («плюс»), а точки с меньшими потенциалами называются «отрица́тельный по́люс» и обозначаются знаком («минус»).

Исторически сложилось, что электрическая изоляция положительного провода окрашена в красный цвет, а отрицательного провода — в синий или чёрный.

Условное обозначение на электроприборах: или или латинскими буквами .

В ряде случаев можно встретить другие символы, например на малогабаритных штекерах, предназначенных для подключения к электронному устройству сетевого блока питания (или на корпусе самого электронного устройства, возле разъёма для подключения штекера) с указанием полярности.

Электроды каких-либо устройств или радиодеталей (диодов, тиристоров, вакуумных электронных приборов), подключаемые к положительному проводу, носят название «анод», а электроды, подключаемые к отрицательному проводу, называются «катод»[1].

Параметры постоянного тока[править]

Величина постоянного тока (сила тока)[править]

Мерой интенсивности движения электрических зарядов в проводниках является величина тока или просто ток .

Величина тока — это количество электрических зарядов (электричества), протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Общепринято, что вместо терминов «ток» и «величина тока» часто применяется термин «сила тока».

Термин «сила тока» является некорректным, так как сила тока не есть какая-то сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника. В проводах нет никаких сил. Мы с вами не будем нарушать эту традицию.

Если при равномерном движении электрических зарядов по проводнику за время протекло количество электричества , то ток в проводнике можно выразить формулой .

В проводнике ток равен одному амперу , если через площадь поперечного сечения его за одну секунду протекает один кулон электричества.

Ампер — единица измерения силы тока, названа в честь Андре-Мари Ампера.

Кулон — единица измерения электрического заряда (количества электричества), названа в честь Шарля Кулона. В тех случаях, когда приходится иметь дело с большими токами, количество электричества измеряется более крупной единицей, называемой ампер-часом, 1 ампер-час равен 3 600 кулонам.

Сила тока измеряется амперметром, он включается в цепь так, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, то есть последовательно.

Плотность тока[править]

В электротехнике часто бывает важно знать не только силу тока в проводнике, но и плотность тока, так как плотность тока является мерой допустимой нагрузки проводов.

Плотностью тока называют ток или , приходящийся на единицу площади проводника: , где

 — сила тока, в Амперах;  — площадь поперечного сечения проводника, в квадратных метрах,  — плотность тока, выражается в амперах на квадратный метр: .

Так как провода с поперечным сечением, исчисляемым квадратными метрами, встречаются крайне редко, то плотность тока обычно выражается в амперах на квадратный миллиметр .

Электродвижущая сила и электрическое напряжение[править]

Разность потенциалов между точками, между которыми протекает постоянный ток, могут охарактеризовать электродвижущая сила и электрическое напряжение.

Электродвижущая сила[править]

Каждый первичный источник электрической энергии создаёт стороннее электрическое поле. В электрических машинах (генераторах постоянного тока) стороннее электрическое поле создаётся в металлических проводниках якоря, вращающегося в магнитном поле, а в гальванических элементах и аккумуляторах — в месте соприкосновения электродов с электролитом (растворами солей или кислот) при их химическом взаимодействии.

Стороннее электрическое поле, имеющееся в источнике электрической энергии постоянного тока, непрерывно взаимодействует на электрические заряды проводников, образующих вместе с ним замкнутую цепь, и создаёт в ней постоянный электрический ток.

Перемещая электрические заряды по замкнутой цепи, силы стороннего электрического поля преодолевают сопротивление противодействующих сил, например вещественных частиц проводников. Это приводит к тому, что силы стороннего электрического поля совершают работу за счёт энергии этого поля. По мере расхода энергии стороннее электрическое поле пополняет её за счёт механической или химической энергии.

В результате работы сил стороннего электрического поля энергия этого поля переходит в электрической цепи в какие-либо иные виды энергии, например в тепловую энергию в металлических проводниках, тепловую и химическую в электролитах, тепловую и световую энергию в электрических лампах и так далее.

Выражение «работа сил стороннего электрического поля» источника электрической энергии ради краткости обычно заменяют выражением «работа источника электрической энергии».

Если известна работа, совершаемая источником электрической энергии при перемещении единичного электрического заряда по всей замкнутой электрической цепи, то легко определить работу, совершаемую им при переносе некого электрического заряда по этой цепи, так как величина работы пропорциональна величине заряда.

Величина, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой .

Следовательно, если источник электрической энергии при переносе заряда по всей замкнутой цепи совершил работу , то его электродвижущая сила равна .

В Международной системе единиц (СИ) за единицу измерения электродвижущей силы принимается один вольт . Единица названа в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта.

Электродвижущая сила источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой цепи им была совершена работа, равная одному джоулю : .

Например, если электродвижущая сила какого-либо источника электрической энергии , то это надо понимать так, что источник электрической энергии, перемещая один кулон электричества по всей замкнутой цепи, совершит работу , так как .

Из формулы следует, что , то есть работа источника электрической энергии при переносе его электрического заряда по всей замкнутой цепи равна произведению величины электродвижущей силы его на величину переносимого электрического заряда .

Электрическое напряжение[править]

Если источник электрической энергии переносит электрический заряд по всей замкнутой цепи, то он совершает некоторую работу . Часть этой работы он совершает при переносе заряда по внутреннему участку цепи (участок внутри самого источника электрической энергии), а другую часть  — при переносе заряда по внешнему участку цепи (вне источника).

Следовательно, , то есть работа , совершаемая источником электрической энергии при переносе электрического заряда по всей замкнутой цепи, равна сумме работ, совершаемых им при переносе этого заряда по внутреннему и внешнему участкам этой цепи.

Если разделить левую и правую часть равенства на величину единичного заряда , получим работу, отнесённую к единичному заряду: .

Работа источника электрической энергии, совершаемая им при переносе единичного заряда по всей замкнутой цепи, численно равна его электродвижущей силе, то есть , где  — электродвижущая сила источника электрической энергии.

Величина , численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда по внутреннему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внутреннем участке цепи, то есть , где  — падение напряжения на внутреннем участке цепи.

Величина , численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда по внешнему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внешнем участке цепи, то есть , где  — падение напряжения на внешнем участке цепи.

Следовательно, равенству можно придать такой вид: , то есть

Электродвижущая сила источника электрической энергии, создающего ток в электрической цепи, равняется сумме падений напряжения на внутреннем и внешнем участке цепи.

Из равенства следует, что , то есть падение напряжения на внешнем участке цепи меньше электродвижущей силы источника электрической энергии на величину падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Следовательно, чем больше падение напряжения внутри источника электрической энергии, тем меньше при всех прочих равных условиях падение напряжения на зажимах источника электрической энергии.

Так как падение напряжения имеет одинаковую размерность с электродвижущей силой, то есть выражается в джоулях на кулон, или, иначе, в вольтах, то за единицу измерения падения напряжения (электрического напряжения) принят один вольт.

Электрическое напряжение на зажимах источника электрической энергии (падение напряжения на внешнем участке цепи) равно одному вольту, если источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю, при переносе электрического заряда в один кулон по внешнему участку цепи.

Напряжение на участках цепи измеряется вольтметром, он всегда присоединяется к тем точкам цепи, между которыми он должен измерить падение напряжения, то есть параллельно.

Применение постоянного тока[править]

• Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток.
• Постоянный ток применяется в электролизе: на установках промышленного электролиза из растворов или расплавов солей получают алюминий, магний, натрий, калий, никель, медь, хлор и другие вещества.
• Постоянный ток применяется в гальванизации и гальванопластике — на электропроводящей поверхности какого-нибудь предмета электрохимическим путём осаждается защитное или декоративное металлическое покрытие, например, бронзовый корпус наручных часов покрывается тонким слоем золота.
• Постоянный ток в ряде случаев используется при сварочных работах (электрическая дуговая или электрогазовая сварка), например, сварить деталь из нержавеющей стали специальным сварочным электродом можно только постоянным током.
• В некоторых устройствах постоянный ток преобразуется в переменный ток преобразователями (инверторами), например, в компьютерных бесперебойных блоках питания при работе в автономном режиме.
• На старых автомобилях (ГАЗ-51, ГАЗ-69, ГАЗ-М-20 «Победа» и многих других), другой мото- и сельскохозяйственной технике устанавливались автомобильные генераторы постоянного тока. Развитие полупроводниковой техники привело к тому, что с 1970-х годов их вытеснили трёхфазные генераторы переменного тока как более лёгкие, компактные и надёжные.
• На некоторых типах судов используется электрическая передача (дизель-электроходы, ледоколы, подводные лодки).
• Электрофорез — введение лекарственных веществ в организм с помощью постоянного тока или разделение смеси веществ в научных или промышленных целях, например электрофорез белков.

Постоянный ток на транспорте[править]

Широкое применение постоянного тока на транспорте обусловлено тем, что электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют оптимальную для транспортных средств тяговую характеристику — большой крутящий момент при малом числе оборотов в минуту, и наоборот, относительно малый крутящий момент при номинальной скорости вращения якоря. Число оборотов легко регулируется последовательным включением реостата или изменением напряжения на зажимах двигателя. Направление вращения легко меняется (как правило, переключается полярность обмотки возбуждения). В силу этого электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением нашли широкое применение на электровозах, электропоездах, тепловозах, трамваях, троллейбусах, подъёмных кранах, подъёмниках и так далее.

Исторически сложилось, что линии трамвая, троллейбуса и метрополитена электрифицированы на постоянном токе, электрическое напряжение составляет 550—600 вольт (трамвай и троллейбус), метрополитен 750—900 вольт.

На тепловозах до 1970-х гг. основным типом тягового генератора был генератор постоянного тока (тепловозы ТЭ3, ТЭ10, ТЭП60, ТЭМ2 и др.), стояли коллекторные тяговые электродвигатели, однако развитие полупроводниковой техники привело к тому, что с 1970-х годов на тепловозах начали устанавливаться трёхфазные генераторы переменного тока с полупроводниковой выпрямительной установкой (электрическая передача переменно-постоянного тока, тепловозы ТЭ109, ТЭ114, ТЭ129, ТЭМ7, ТЭМ9 и др.), а с 1990-х гг применяются асинхронные тяговые двигатели (тепловозы с электропередачей переменно-переменного тока 2ТЭ25А, ТЭМ21).

В России и в республиках бывшего СССР около половины электрифицированных участков железных дорог электрифицированы на постоянном токе 3 000 вольт.

Электрификация на постоянном токе 3 кВ не является оптимальной по сравнению с электрификацией на переменном токе 25 кВ промышленной частоты (50 Гц), сравнительно мало́ напряжение в контактной сети и велика сила тока, однако технические возможности электрификации на переменном токе появились только во второй половине XX века. Например, два электровоза имеют равную мощность 5 000 киловатт. У электровоза постоянного тока (3 кВ) максимальный ток, проходящий через токоприёмник составит 1 667 ампер, у электровоза переменного тока (25 кВ) — 200 ампер. В 1990-е — 2000-е годы ряд участков переведён с постоянного на переменный ток: Слюдянка—Иркутск—Зима, Лоухи—Мурманск, Саратовский и Волгоградский железнодорожные узлы, Минеральные Воды—Кисловодск и Бештау—Железноводск.

В 1970-е гг. в СССР проводились эксперименты с электрификацией на напряжение 6 кВ, однако по ряду технических причин эта система не была принята.

Следует отметить, что также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61Д, ВЛ82 и ВЛ82М, ЭП10, ЭП20).

Линии электропередач постоянного тока[править]

В подавляющем большинстве случаев по линиям электропередач передаётся трёхфазный ток, однако существуют линии электропередач постоянного тока, например высоковольтная линия постоянного тока Волгоград-Донбасс, высоковольтная линия постоянного тока Экибастуз-Центр, материковая Южная Корея — остров Чеджудо и другие. Использование постоянного тока позволяет увеличить передаваемую электрическую мощность, передавать электроэнергию между энергосистемами, использующими переменный ток разной частоты, например, 50 и 60 герц, а также не синхронизировать соседние энергосистемы, как это сделано на границе Ленинградской области с Финляндией (см. вставка постоянного тока Выборг — Финляндия).

• В. Е. Китаев, Л. С. Шляпинтох. Электротехника с основами промышленной электроники. — 3-е, переработанное и дополненное. — Москва: Высшая школа, 1973. — 358 с. — 200 000 экз.

1. ↑ Вышесказанное относится к наиболее распространённому режиму прямого включения, когда прибор открыт (или же может быть открыт при подаче соответствующего напряжения на управляющий электрод), т.е. имеет малое сопротивление и пропускает электрический ток. Однако существует ряд приборов, требующих обратного включения (стабилитроны, варикапы, защитные диоды, подавляющие выбросы обратного напряжения), при котором анод подключается к отрицательному, а катод к положительному полюсу источника напряжения.

wp.wiki-wiki.ru

Определение - величина - ток

Определение - величина - ток

Cтраница 1

Определение величин токов и напряжений, при которых производится поверка, осуществляется детекторным вольтамперметром со шкалой, градуированной в процентах от номинальных значений тока и напряжения.  [1]

Определение величин токов короткого замыкания и их изменения во времени в первую очередь особо важно для конструкторов электрических сетей и распределительных устройств, так как динамическая нагрузка устройств определяется максимальным значением тока короткого замыкания, а изменение токов короткого замыкания во времени имеет решающее значение при выборе выключателей.  [2]

Для определения величины тока в любом сопротивлении ( при параллельном включении) применяется закон разветвленных токов. По этому закону ток, притекающий к точке разветвления, равен сумме токов, утекающих от нее.  [4]

Для определения величины тока необходимо знать масштаб осциллограммы, записанной с датчика Холла. Это выполняется путем одновременной записи осциллограмм тока с датчика Холла и с калиброванного шунта ( см. фиг. При дальнейших измерениях расстояние пластинки датчика от электрод од ерж а - теля машины, ток питания и вибратор осциллографа должны быть неизменными.  [5]

Для определения величины тока в цепи достаточно определить количество осадка на электродах и время, в течение которого этот осадок образовался. Если ток оставался за это время неизменным, то частное от деления массы осадка на время и на электрохимический эквивалент даст величину тока в цепи.  [6]

Для определения величины эталонного тока проводят калибровку приборов, при которой определяется зависимость величины индикаторного тока от концентрации брома в растворе.  [8]

Поэтому определение величины тока короткого замыкания весьма важно для правильного выбора аппаратов и сечений токо-ведущих частей, которые должны обеспечить надежную и безопасную эксплуатацию электротехнической установки.  [9]

Задача определения величины тока в диске очень сложна и должна решаться интегрированием элементарных токов в бесконечно тонких трубках. Очевидно, что часть тока будет протекать в области диска, непосредственно пронизываемой магнитным потоком, а другая часть - вне этой области и в том числе в области, где диск пронизывается другим магнитным потоком.  [10]

При определении величины тока, при которой должна производиться разгрузка, необходимо учитывать перегрузочную способность линий и трансформаторов и время восстановления нарушенного питания.  [12]

Амперметр служит для определения величины тока в электрической цепи. Он включен последовательно между аккумуляторной батареей и реле-регулятором. Амперметром контролируют режим заряда аккумуляторной батареи, работу ограничителя и реле обратного тока.  [14]

Целью проверки является определение величины тока короткого замыкания при замыкании между фазами и заземляющими проводниками. Ток этот должен иметь определенную кратность по отношению к номинальному току плавкой вставки или расцепителя автомата защищаемого присоединения.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

---

• 
  Амперметр в электрическую цепь включается амперметр и вольтметр
• 
  Таблицы истинности и логические операции
• 
  Ветрогенератор промышленный
• 
  Что делать если документов на счетчики воды нет
• 
  Логическая схема это любая схема
• 
  Как крепить люстру на натяжной потолок
• 
  Санпин по освещенности рабочих мест
• 
  Схема подключения тт к счетчику
• 
  Законы кирхгофа примеры
• 
  Диаметр от сечения провода
• 
  Передача электроэнергии по воздуху