Za postojanje jednosmerne električne struje neophodno je prisustvo slobodnih naelektrisanih čestica i prisustvo izvora struje. u kojoj se neki oblik energije pretvara u energiju električno polje.

Trenutni izvor - uređaj u kojem se bilo koja vrsta energije pretvara u energiju električnog polja. U izvoru struje, vanjske sile djeluju na nabijene čestice u zatvorenom kolu. Razlozi za pojavu vanjskih sila u različitim izvorima struje su različiti. Na primjer, u baterijama i galvanskim ćelijama vanjske sile nastaju zbog toka kemijskih reakcija, u generatorima elektrana nastaju kada se provodnik kreće u magnetskom polju, u fotoćelijama - kada svjetlost djeluje na elektrone u metalima i poluvodičima.

Elektromotorna sila izvora struje naziva se omjer rada vanjskih sila i vrijednosti pozitivnog naboja prenesenog sa negativnog pola izvora struje na pozitivni.

Osnovni koncepti.

Snaga struje - skalar fizička količina, jednak omjeru naelektrisanja koje je prošlo kroz provodnik, prema vremenu za koje je ovo naelektrisanje prošlo.

gdje I - jačina struje, q - iznos naplate (količina električne energije), t - tranzitno vrijeme punjenja.

gustina struje - vektorska fizička veličina jednaka omjeru jačine struje i površine poprečnog presjeka ​​provodnika.

gdje j -gustina struje, S - površina poprečnog presjeka provodnika.

Smjer vektora gustine struje poklapa se sa smjerom kretanja pozitivno nabijenih čestica.

voltaža - skalarna fizička veličina jednaka omjeru ukupnog rada Kulonova i vanjskih sila pri kretanju pozitivnog naboja u tom području prema vrijednosti ovog naboja.

gdje A - pun rad trećih i kulonskih snaga, q - električno punjenje.

Električni otpor - fizička veličina koja karakterizira električna svojstva dijela strujnog kola.

gdje ρ - specifični otpor provodnika, l - dužina dijela provodnika, S - površina poprečnog presjeka provodnika.

Provodljivost je recipročna vrijednost otpora

gdje G - provodljivost.

Ohmovi zakoni.

Ohmov zakon za homogeni dio lanca.

Jačina struje u homogenom dijelu kola je direktno proporcionalna naponu pri konstantnom otporu presjeka i obrnuto proporcionalna otporu sekcije pri konstantnom naponu.

gdje U - napetost u tom području R - otpor preseka.

Ohmov zakon za proizvoljni dio kola koji sadrži izvor jednosmjerne struje.

gdje φ 1 - φ 2 + ε = U napon u datom dijelu kola,R - električni otpor datog dijela strujnog kola.

Ohmov zakon za kompletno kolo.

Jačina struje u kompletnom krugu jednaka je omjeru elektromotorne sile izvora prema zbroju otpora vanjskog i unutarnjeg dijela kola.

gdje R - električni otpor vanjskog dijela kola, r - električni otpor unutrašnjeg dijela strujnog kola.

Kratki spoj.

Iz Ohmovog zakona za kompletno kolo slijedi da jačina struje u kolu sa datim izvorom struje ovisi samo o otporu vanjskog kola R.

Ako je provodnik sa otporom spojen na polove izvora struje R<< r, tada će samo EMF izvora struje i njegov otpor odrediti vrijednost struje u kolu. Ova vrijednost jačine struje bit će granica za ovaj izvor struje i naziva se struja kratkog spoja.

Elektromotorna sila. Svaki izvor struje karakterizira elektromotorna sila ili, skraćeno, EMF. Dakle, na okrugloj bateriji za baterijsku lampu piše: 1,5 V. Šta to znači? Spojite provodnikom dvije metalne kuglice koje nose naboje suprotnih predznaka. Pod uticajem električnog polja ovih naelektrisanja u provodniku nastaje električna struja ( sl.15.7). Ali ova struja će biti vrlo kratkog veka. Naboji se brzo neutraliziraju, potencijali kuglica postaju isti, a električno polje nestaje.

Snage treće strane. Da bi struja bila konstantna, potrebno je održavati konstantan napon između kuglica. Za ovo je potreban uređaj izvor struje), koji bi pomicao naboje s jedne lopte na drugu u smjeru suprotnom od smjera sila koje djeluju na ta naboja iz električnog polja kuglica. U takvom uređaju, osim električnih sila, na naboje moraju djelovati i sile neelektrostatičkog porijekla ( sl.15.8). Samo jedno električno polje naelektrisanih čestica ( Coulomb polje) nije u stanju održati konstantnu struju u kolu.

Sve sile koje djeluju na električno nabijene čestice, s izuzetkom sila elektrostatičkog porijekla (tj. Kulonove), nazivaju se spoljne sile. Zaključak o potrebi vanjskih sila za održavanje konstantne struje u strujnom kolu postat će još očigledniji ako se okrenemo zakonu održanja energije. Elektrostatičko polje je potencijalno. Rad ovog polja pri kretanju nabijenih čestica u njemu duž zatvorenog električnog kola jednak je nuli. Prolazak struje kroz vodiče je praćen oslobađanjem energije - provodnik se zagrijava. Prema tome, mora postojati neki izvor energije u kolu koji je opskrbljuje krugu. U njemu, pored Kulonovih snaga, nužno moraju djelovati i treće strane, nepotencijalne sile. Rad ovih sila duž zatvorene konture mora biti različit od nule. U procesu rada ovih sila nabijene čestice dobijaju energiju unutar izvora struje, a zatim je daju provodnicima električnog kola. Sile treće strane pokreću naelektrisane čestice unutar svih izvora struje: u generatorima u elektranama, u galvanskim ćelijama, baterijama itd. Kada je kolo zatvoreno, u svim provodnicima kola se stvara električno polje. Unutar izvora struje, naelektrisanja se kreću pod uticajem vanjske sile u odnosu na Kulonove sile(elektroni s pozitivno nabijene elektrode na negativnu), a u vanjskom kolu ih pokreće električno polje (vidi sl. sl.15.8). Priroda stranih sila. Priroda vanjskih sila može biti različita. U generatorima elektrana, vanjske sile su sile koje djeluju sa strane magnetsko polje na elektrone u pokretnom provodniku. U galvanskoj ćeliji, na primjer, Volta ćeliji, djeluju kemijske sile. Volta element se sastoji od cink i bakrenih elektroda smještenih u otopini sumporne kiseline. Hemijske sile uzrokuju otapanje cinka u kiselini. Pozitivno nabijeni ioni cinka prelaze u otopinu, a sama cinkova elektroda postaje negativno nabijena. (Bakar se vrlo malo otapa u sumpornoj kiselini.) Između cink i bakrene elektrode pojavljuje se razlika potencijala, koja određuje struju u zatvorenom električnom kolu. Elektromotorna sila. Djelovanje vanjskih sila karakterizira važna fizička veličina tzv elektromotorna sila(skraćeno EMF). Elektromotorna sila izvora struje jednaka je omjeru rada vanjskih sila pri kretanju naboja duž zatvorenog kola do vrijednosti ove naplatiti:

Elektromotorna sila, kao i napon, izražava se u voltima. Možemo govoriti i o elektromotornoj sili u bilo kojem dijelu kola. Ovo je specifičan rad vanjskih sila (rad pomicanja jediničnog naboja) ne u cijelom krugu, već samo u ovoj oblasti. Elektromotorna sila galvanske ćelije je vrijednost numerički jednaka radu vanjskih sila pri pomicanju jediničnog pozitivnog naboja unutar elementa s jednog pola na drugi. Rad vanjskih sila ne može se izraziti kroz razliku potencijala, jer su vanjske sile nepotencijalne i njihov rad ovisi o obliku putanje naboja. Tako je, na primjer, rad vanjskih sila pri pomicanju naboja između terminala izvora struje izvan samog izvora jednak nuli. Sada znate šta je EMF. Ako je na bateriji napisano 1,5 V, to znači da sile treće strane (u ovom slučaju kemijske) rade 1,5 J pri pomicanju punjenja od 1 C s jednog pola baterije na drugi. Jednosmjerna struja ne može postojati u zatvorenom kolu ako u njemu ne djeluju vanjske sile, odnosno nema EMF.

PARALELNI I SERIJSKI SPOJ PROVODNIKA

Uključimo u električni krug kao opterećenje (potrošače struje) dvije žarulje sa žarnom niti, od kojih svaka ima određeni otpor, a svaka se može zamijeniti vodičem istog otpora.

SERIJSKA KONEKCIJA

Proračun parametara električnog kola sa serijskim povezivanjem otpora:

1. jačina struje u svim serijski povezanim dijelovima kola je ista 2. napon u kolu koje se sastoji od nekoliko sekcija povezanih u seriju jednak je zbiru napona u svakoj sekciji 3. otpor kola koje se sastoji od nekoliko serijski povezanih sekcija jednak je zbiru otpora svake sekcije

4. rad električne struje u kolu koje se sastoji od serijski povezanih sekcija jednak je zbiru rada u pojedinim sekcijama

A \u003d A1 + A2 5. snaga električne struje u krugu koji se sastoji od serijski povezanih dijelova jednaka je zbroju snaga u pojedinačnim dijelovima

PARALELNA VEZA

Proračun parametara električnog kruga s paralelnom vezom otpora:

1. jačina struje u nerazgranatom dijelu kola jednaka je zbroju jačine struje u svim paralelno povezanim dijelovima

3. kada su otpori spojeni paralelno, dodaju se vrijednosti koje su inverzne otporu:

(R - otpor provodnika, 1/R - električna provodljivost provodnika)

Ako su samo dva otpornika spojena paralelno u kolu, onda o:

(kada je spojen paralelno, ukupni otpor kola je manji od manjeg od uključenih otpora)

4. Rad električne struje u kolu koje se sastoji od paralelno povezanih dijelova jednak je zbiru rada u pojedinim dijelovima: A=A1+A2 5. Snaga električne struje u kolu koje se sastoji od sekcija povezanih paralelno jednaka je zbiru snaga u pojedinim sekcijama: P=P1+P2

Za dva otpora: tj. što je otpor veći, to ima manju struju.

Joule-Lenzov zakon je fizički zakon koji vam omogućava da odredite toplinski učinak struje u krugu, prema ovom zakonu: , gdje je I struja u kolu, R je otpor, t je vrijeme. Ova formula je izračunata kreiranjem kola: galvanske ćelije (baterije), otpornika i ampermetra. Otpornik je uronjen u tečnost, u koju je umetnut termometar i merena je temperatura. Ovako su zaključili svoj zakon i zauvijek se utisnuli u historiju, ali i bez njihovih eksperimenata bilo je moguće izvesti isti zakon:

U=A/q ​​A=U*q=U*I*t=I^2*R*t ali uprkos ovoj časti i pohvalama ovim ljudima.

Joule Lenzov zakon određuje količinu topline koja se oslobađa u dijelu električnog kola sa konačnim otporom kada struja prolazi kroz njega. Preduslov je činjenica da u ovom delu lanca ne bi trebalo da dođe do hemijskih transformacija.

RAD ELEKTRIČNE STRUJE

Rad električne struje pokazuje koliki je rad izvršilo električno polje pri kretanju naboja kroz provodnik.

Poznavajući dvije formule: I \u003d q / t ..... i ..... U \u003d A / q, možete izvesti formulu za izračunavanje rada električne struje: Rad električne struje jednak je proizvodu jačine struje i napona i vremena koje struja teče u kolu.

Jedinica mjere za rad električne struje u SI sistemu: [ A ] \u003d 1 J \u003d 1A. b. c

UČITE, KRITE! Prilikom izračunavanja rada električne struje često se koristi vansistemska višestruka jedinica rada električne struje: 1 kWh (kilovat-sat).

1 kWh = ...........W.s = 3.600.000 J

U svakom stanu, za obračun utrošene električne energije, ugrađena su posebna brojila električne energije koja pokazuju rad električne struje završen u određenom vremenskom periodu kada su uključeni razni kućni električni aparati. Ova brojila pokazuju rad električne struje (potrošnja električne energije) u "kWh".

Morate naučiti kako izračunati trošak potrošene električne energije! Pažljivo razumijemo rješenje zadatka na strani 122 udžbenika (stav 52)!

ELEKTRIČNA STRUJA

Snaga električne struje pokazuje rad struje u jedinici vremena i jednaka je odnosu izvršenog rada i vremena za koje je taj rad obavljen.

(snaga u mehanici obično se označava slovom N, u elektrotehnici - dopisom R) jer A = IUt, tada je snaga električne struje jednaka:

ili

Jedinica snage električne struje u SI sistemu:

[P] = 1 W (vat) = 1 A. B

Kirchhoffovi zakoni – pravila koja pokazuju kako su struje i naponi povezani u električnim krugovima. Ova pravila je formulisao Gustav Kirchhoff 1845. U literaturi se često nazivaju Kirchhoffovim zakonima, ali to nije tačno, jer oni nisu zakoni prirode, već su izvedeni iz Maxwellove treće jednadžbe sa konstantnim magnetskim poljem. Ali ipak im je prvo ime poznatije, pa ćemo ih nazvati, kao što je uobičajeno u literaturi - Kirchhoffovi zakoni.

Prvi Kirhofov zakon – zbir struja koje konvergiraju u čvoru jednak je nuli.

Hajde da to shvatimo. Čvor je tačka koja povezuje grane. Grana je dio lanca između čvorova. Slika pokazuje da struja i ulazi u čvor, a struje i 1 i i 2 napuštaju čvor. Sastavljamo izraz prema prvom Kirchhoffovom zakonu, s obzirom da struje koje ulaze u čvor imaju predznak plus, a struje koje izlaze iz čvora imaju predznak minus i-i 1 -i 2 =0. Struja i se, takoreći, širi u dvije manje struje i jednaka je zbiru struja i 1 i i 2 i=i 1 +i 2. Ali ako bi, na primjer, struja i 2 ušla u čvor, tada bi struja I bila definirana kao i=i 1 -i 2 . Važno je uzeti u obzir predznake prilikom sastavljanja jednačine.

Prvi Kirhhofov zakon je posledica zakona održanja električne energije: naelektrisanje koje dolazi u čvor u određenom vremenskom periodu jednako je naelektrisanju koje napušta čvor u istom vremenskom intervalu, tj. električni naboj u čvoru se ne akumulira i ne nestaje.

Kirchhoffov drugi zakon – algebarski zbir EMF koji djeluje u zatvorenom kolu jednak je algebarskom zbiru padova napona u ovom kolu.

Napon se izražava kao proizvod struje i otpora (prema Ohmovom zakonu).

Ovaj zakon ima i svoja pravila za primjenu. Prvo trebate postaviti smjer zaobilaznice konture pomoću strelice. Zatim zbrojite EMF i napon, respektivno, uz predznak plus ako se vrijednost poklapa sa smjerom premosnice i minus ako ne. Napravimo jednačinu prema drugom Kirchhoffovom zakonu, za našu shemu. Gledamo našu strelicu, E 2 i E 3 se poklapaju s njom u smjeru, što znači znak plus, a E 1 je usmjeren u suprotnom smjeru, što znači znak minus. Sada gledamo napone, struja I 1 poklapa se u smjeru sa strelicom, a struje I 2 i I 3 su usmjerene suprotno. posljedično:

-E 1 +E 2 +E 3 =I 1 R 1 -Ja 2 R 2 -Ja 3 R 3

Na osnovu Kirchhoffovih zakona sastavljene su metode za analizu sinusoidnih kola naizmjenične struje. Metoda struja u petlji je metoda zasnovana na primjeni drugog Kirchhoffovog zakona i metoda čvornih potencijala zasnovana na primjeni prvog Kirchhoffovog zakona.

Struja- uredno kretanje električnih naboja. Za smjer struje se uzima smjer kretanja pozitivnih naboja.

Prolazak struje kroz provodnik praćen je sljedećim radnjama:

* magnetna (primjećena u svim provodnicima)
* termički (primjećeno u svim provodnicima osim supravodnika)
* hemijski (uočeno u elektrolitima).

Za nastanak i održavanje struje u bilo kojem mediju moraju biti ispunjena dva uslova:

* prisustvo besplatnih električnih naboja u okolini
* stvaranje električnog polja u okolini.

Električno polje u mediju je neophodno za stvaranje usmerenog kretanja slobodnih naelektrisanja. Kao što je poznato, na naelektrisanje q u električnom polju jačine E utiče sila F = q* E, koja tera slobodna naelektrisanja da se kreću u pravcu električnog polja. Znak postojanja električnog polja u provodniku je prisustvo nula razlika potencijala između bilo koje dvije tačke provodnika,
Međutim, električne sile ne mogu izdržati električnu struju dugo vremena. Usmjereno kretanje električnih naboja nakon nekog vremena dovodi do izjednačavanja potencijala na krajevima vodiča i, posljedično, do nestanka električnog polja u njemu.

Da bi se održala struja u električnom kolu, na naboje, pored Kulonovih sila, moraju djelovati i neelektrične sile (vanjske sile).
Uređaj koji stvara vanjske sile, održava razliku potencijala u krugu i pretvara različite vrste energija u električnu energiju naziva se izvor struje.
Za postojanje električne struje u zatvorenom kolu potrebno je u njega uključiti izvor struje.
Glavne karakteristike

1. Jačina struje - I, jedinica mjere - 1 A (Amper).
Jačina struje je vrijednost jednaka naboju koji teče kroz poprečni presjek vodiča u jedinici vremena.
I = Dq/Dt.

Formula vrijedi za jednosmjernu struju, pri kojoj se jačina struje i njen smjer ne mijenjaju s vremenom. Ako se jačina struje i njen smjer mijenjaju s vremenom, onda se takva struja naziva promjenjiva.
Za AC:
I = limDq/Dt ,
Dt - 0

one. I = q", gdje je q" derivat naboja u odnosu na vrijeme.
2. Gustina struje - j, jedinica mjere - 1 A/m2.
Gustoća struje je vrijednost jednaka jačini struje koja teče kroz jedan poprečni presjek vodiča:
j = I/S .

3. Elektromotorna sila izvora struje - emf. (e), jedinica je 1 V (Volt). E.m.f. je fizička veličina jednaka radu vanjskih sila pri kretanju duž električnog kola jednog pozitivnog naboja:
e \u003d Ast. / q.

4. Otpor provodnika - R, jedinica - 1 ohm.
Pod djelovanjem električnog polja u vakuumu, slobodni naboji bi se kretali ubrzanom brzinom. U materiji se u proseku ravnomerno kreću, jer dio energije se daje česticama materije u sudarima.

Teorija kaže da se energija uređenog kretanja naelektrisanja raspršuje distorzijama kristalna rešetka. Na osnovu prirode električnog otpora, slijedi da
R \u003d r * l / S,

gdje
l - dužina provodnika,
S - površina poprečnog presjeka,
r je faktor proporcionalnosti, koji se naziva otpornost materijala.
Ova formula je dobro potvrđena iskustvom.
Interakcija čestica provodnika sa nabojima koji se kreću u struji zavisi od haotičnog kretanja čestica, tj. na temperaturu provodnika. To je poznato
r = r0(1 + a t) ,
R = R0(1 + a t) .

Koeficijent a naziva se temperaturni koeficijent otpora:
a = (R - R0)/R0*t .

Za hemijski čiste metale a > 0 i jednako 1/273 K-1. Za legure, temperaturni koeficijenti su manje važni. Zavisnost r(t) za metale je linearna:

Godine 1911. otkriven je fenomen supravodljivosti, koji se sastoji u tome da na temperaturi blizu apsolutna nula, otpor nekih metala naglo pada na nulu.

Za neke tvari (na primjer, elektroliti i poluvodiči), otpornost opada s povećanjem temperature, što se objašnjava povećanjem koncentracije slobodnih naboja.
Recipročna vrijednost otpornosti naziva se električna provodljivost s
s = 1/r

5. Napon - U, mjerna jedinica - 1 V.
Napon je fizička veličina jednaka radu vanjskih i električnih sila pri pomicanju jednog pozitivnog naboja.

U \u003d (Ast. + Ael.) / q.

Pošto je Ast./q = e, a Ael./q = f1-f2, onda
U = e + (f1 - f2) .

Naboj u pokretu. Može biti u obliku iznenadnog pražnjenja statičkog elektriciteta, kao što je munja. Ili bi to mogao biti kontrolirani proces u generatorima, baterijama, solarnim ili gorivnim ćelijama. Danas ćemo razmotriti sam pojam "električne struje" i uslove za postojanje električne struje.

Električna energija

Većina električne energije koju koristimo dolazi u obliku naizmjenične struje iz električne mreže. Stvaraju ga generatori koji rade prema Faradayevom zakonu indukcije, zbog čega promjenjivo magnetsko polje može inducirati električnu struju u vodiču.

Generatori imaju rotirajuću zavojnicu žice koja prolazi kroz magnetna polja dok se okreću. Kako se zavojnice rotiraju, otvaraju se i zatvaraju u odnosu na magnetsko polje i stvaraju električnu struju koja mijenja smjer sa svakim okretom. Struja prolazi kroz cijeli ciklus naprijed-nazad 60 puta u sekundi.

Generatori se mogu pokretati parnim turbinama koje se zagrijavaju na ugalj, prirodni plin, naftu ili nuklearni reaktor. Iz generatora struja prolazi kroz niz transformatora, gdje se njen napon povećava. Promjer žica određuje količinu i snagu struje koju mogu nositi bez pregrijavanja i gubitka energije, a napon je ograničen samo koliko su vodovi dobro izolirani od zemlje.

Zanimljivo je napomenuti da struju prenosi samo jedna žica, a ne dvije. Njegove dvije strane su označene kao pozitivna i negativna. Međutim, budući da se polaritet naizmjenične struje mijenja 60 puta u sekundi, oni imaju druga imena - vrući (glavni vodovi) i uzemljeni (prolaze ispod zemlje da bi se sklopio).

Zašto je potrebna struja?

Postoji mnogo namjena za električnu energiju: može osvijetliti vašu kuću, oprati i osušiti odjeću, podići vaša garažna vrata, prokuhati vodu u čajniku i napajati druge kućne potrepštine koje nam uvelike olakšavaju život. Međutim, sposobnost struje da prenosi informacije postaje sve važnija.

Kada je povezan na Internet, računar koristi samo mali dio električne struje, ali to je nešto bez čega savremeni čovek ne predstavlja njegov život.

Koncept električne struje

Poput riječne struje, struje molekula vode, električna struja je struja nabijenih čestica. Šta je to što ga uzrokuje i zašto ne ide uvijek u istom smjeru? Kada čujete riječ protok, na šta pomislite? Možda će to biti rijeka. To je dobra asocijacija, jer je to razlog zašto je električna struja dobila ime. Vrlo je sličan protoku vode, samo umjesto da se molekuli vode kreću duž kanala, nabijene čestice se kreću duž provodnika.

Među uslovima neophodnim za postojanje električne struje, postoji stavka koja obezbeđuje prisustvo elektrona. Atomi u provodljivom materijalu imaju mnoge od ovih slobodnih nabijenih čestica koje lebde oko i između atoma. Njihovo kretanje je nasumično, tako da nema protoka u bilo kojem smjeru. Šta je potrebno da električna struja postoji?

Uvjeti za postojanje električne struje uključuju prisustvo napona. Kada se nanese na provodnik, svi slobodni elektroni će se kretati u istom smjeru, stvarajući struju.

Zanima me električna struja

Zanimljivo je da kada se električna energija prenosi kroz provodnik brzinom svjetlosti, sami elektroni se kreću mnogo sporije. U stvari, ako biste lagano hodali pored provodljive žice, vaša brzina bi bila 100 puta veća od kretanja elektrona. To je zbog činjenice da ne moraju putovati velike udaljenosti da bi prenosili energiju jedni drugima.

Jednosmjerna i naizmjenična struja

Dva se danas široko koriste. različite vrste struja - konstantna i promjenjiva. U prvom, elektroni se kreću u jednom smjeru, sa "negativne" na "pozitivnu" stranu. Izmjenična struja gura elektrone naprijed-nazad, mijenjajući smjer toka nekoliko puta u sekundi.

Generatori koji se koriste u elektranama za proizvodnju električne energije dizajnirani su za proizvodnju naizmjenične struje. Vjerovatno nikada niste primijetili da svjetlo u vašoj kući zapravo treperi kako se smjer struje mijenja, ali to se dešava prebrzo da bi ga oči prepoznale.

Koji su uslovi za postojanje jednosmerne električne struje? Zašto su nam potrebne obje vrste i koja je bolja? Ovo su dobra pitanja. Činjenica da još uvijek koristimo obje vrste struje sugerira da obje služe određenim svrhama. Još u 19. veku bilo je jasno da je efikasan prenos energije na velike udaljenosti između elektrane i kuće moguć samo pri veoma visokim naponima. Ali problem je bio u tome što su poslali visokog napona bio izuzetno opasan za ljude.

Rješenje ovog problema bilo je smanjenje stresa izvan kuće prije nego što se pošalje unutra. Do danas se jednosmjerna električna struja koristi za prijenos na velike udaljenosti, uglavnom zbog svoje sposobnosti da se lako pretvara u druge napone.

Kako radi električna struja

Uvjeti za postojanje električne struje uključuju prisustvo nabijenih čestica, provodnika i napona. Mnogi naučnici su proučavali elektricitet i otkrili da postoje dvije njegove vrste: statički i strujni.

To je drugi koji igra ogromnu ulogu u svakodnevnom životu svake osobe, jer je električna struja koja prolazi kroz strujni krug. Svakodnevno ga koristimo za napajanje naših domova i još mnogo toga.

Šta je električna struja?

Kada električni naboji kruže u kolu od jednog mjesta do drugog, nastaje električna struja. Uvjeti za postojanje električne struje uključuju, pored nabijenih čestica, i prisustvo provodnika. Najčešće je to žica. Njegovo kolo je zatvoreno kolo u kojem struja teče iz izvora napajanja. Kada je krug otvoren, on ne može završiti putovanje. Na primjer, kada je svjetlo u vašoj sobi isključeno, strujni krug je otvoren, ali kada je krug zatvoren, svjetlo je uključeno.

Trenutna snaga

Na uvjete postojanja električne struje u vodiču uvelike utječe takva naponska karakteristika kao što je snaga. Ovo je mjera koliko se energije koristi u određenom vremenskom periodu.

Postoji mnogo različitih jedinica koje se mogu koristiti za izražavanje ove karakteristike. Međutim, električna snaga se gotovo mjeri u vatima. Jedan vat je jednak jednom džulu u sekundi.

Električni naboj u pokretu

Koji su uslovi za postojanje električne struje? Može biti u obliku iznenadnog pražnjenja statičkog elektriciteta, kao što je munja ili iskra od trenja o vunenu tkaninu. Međutim, češće, kada govorimo o električnoj struji, mislimo na kontroliraniji oblik električne energije koji pokreće svjetla i uređaje. Većinu električnog naboja nose negativni elektroni i pozitivni protoni unutar atoma. Međutim, potonji su uglavnom imobilizirani iznutra atomska jezgra, tako da rad premještanja naboja s jednog mjesta na drugo obavljaju elektroni.

Elektroni u provodljivom materijalu kao što je metal uglavnom se slobodno kreću od jednog atoma do drugog duž svojih vodljivih traka, koje su više orbite elektrona. Dovoljna elektromotorna sila ili napon stvara neravnotežu naboja koja može uzrokovati kretanje elektrona kroz provodnik u obliku električne struje.

Ako povučemo analogiju s vodom, uzmimo, na primjer, cijev. Kada otvorimo ventil na jednom kraju kako bi voda ušla u cijev, ne moramo čekati da ta voda prođe sve do kraja cijevi. Na drugom kraju dobijamo vodu gotovo trenutno jer nadolazeća voda potiskuje vodu koja je već u cijevi. Ovo se dešava u slučaju električne struje u žici.

Električna struja: uslovi za postojanje električne struje

Električna struja se obično posmatra kao tok elektrona. Kada su dva kraja baterije međusobno povezana metalnom žicom, ova napunjena masa teče kroz žicu od jednog kraja (elektrode ili pola) baterije na suprotni. Dakle, nazovimo uslove za postojanje električne struje:

1. naelektrisane čestice.
2. Dirigent.
3. Izvor napona.

Međutim, nije sve tako jednostavno. Koji su uslovi neophodni za postojanje električne struje? Na ovo pitanje može se detaljnije odgovoriti uzimajući u obzir sljedeće karakteristike:

• Razlika potencijala (napon). Ovo je jedan od preduslova. Između 2 tačke mora postojati razlika potencijala, što znači da odbojna sila koju stvaraju nabijene čestice na jednom mjestu mora biti veća od njihove sile u drugoj tački. Izvori napona se uglavnom ne nalaze u prirodi, a elektroni su raspoređeni okruženje prilično ravnomerno. Ipak, naučnici su uspjeli izmisliti određene vrste uređaja u kojima se te nabijene čestice mogu akumulirati, stvarajući tako neophodan napon (na primjer, u baterijama).
• Električni otpor (provodnik). Ovo je drugi važan uslov koji je neophodan za postojanje električne struje. Ovo je put kojim putuju nabijene čestice. Samo oni materijali koji dozvoljavaju elektronima da se slobodno kreću djeluju kao provodnici. Oni koji nemaju tu sposobnost nazivaju se izolatori. Na primjer, metalna žica će biti odličan provodnik, dok će njen gumeni omotač biti odličan izolator.

Pažljivo proučavajući uslove za nastanak i postojanje električne struje, ljudi su uspjeli ukrotiti ovaj moćni i opasni element i usmjeriti ga za dobrobit čovječanstva.

Za nastanak i održavanje struje u bilo kojem mediju moraju biti ispunjena dva uslova:

U različitim medijima, nosioci električne struje su različite nabijene čestice.

Električno polje u mediju je neophodno stvoriti usmjereno kretanje besplatnih naknada. Kao što je poznato, po naelektrisanju q u električnom polju jačine E sila deluje F= q* E,što tjera slobodne naboje da se kreću u smjeru električnog polja. Znak postojanja električnog polja u vodiču je prisustvo razlike potencijala različite od nule između bilo koje dvije tačke provodnika,

Međutim, električne sile ne mogu izdržati električnu struju dugo vremena. Usmjereno kretanje električnih naboja nakon nekog vremena dovodi do izjednačavanja potencijala na krajevima vodiča i, posljedično, do nestanka električnog polja u njemu.

Za održavanje struje u električnom kolu pored Coulombovih snaga, sile moraju djelovati na naboje neelektrični priroda (spoljne sile).

Uređaj koji stvara vanjske sile, održava razliku potencijala u krugu i pretvara različite vrste energije u električnu energiju, naziva se izvor struje.

Za postojanje električne struje u zatvorenom kolu potrebno je u njega uključiti izvor struje.

Glavne karakteristike

1. Jačina struje - I, mjerna jedinica - 1 A (Amper).

Jačina struje je vrijednost jednaka naboju koji teče kroz poprečni presjek vodiča u jedinici vremena.

Formula (1) vrijedi za jednosmjerna struja, pri čemu se jačina i smjer struje ne mijenjaju s vremenom. Ako se jačina struje i njen smjer mijenjaju s vremenom, onda se takva struja naziva varijable.

Za AC:

I \u003d NtDd / Dt, (*)

one. \u003d q", gdje je q" derivat naboja u odnosu na vrijeme.

2. Gustina struje - j, jedinica mjere - 1 A/m2.

Gustoća struje je vrijednost jednaka jačini struje koja teče kroz jedan poprečni presjek vodiča:

3. Elektromotorna sila izvora struje - emf. (e), jedinica je 1 V (Volt). E.m.f. je fizička veličina jednaka radu vanjskih sila pri kretanju duž električnog kola jednog pozitivnog naboja:

e = prijatelj. / g. (3)

4. Otpor provodnika - R, jedinica mjere - 1 Ohm.

Pod djelovanjem električnog polja u vakuumu, slobodni naboji bi se kretali ubrzanom brzinom. U materiji se u proseku ravnomerno kreću, jer dio energije se daje česticama materije u sudarima.

Teorija kaže da se energija uređenog kretanja naelektrisanja raspršuje zbog izobličenja kristalne rešetke. Na osnovu prirode električnog otpora, slijedi da

R = R* L / S E, (4)

l - dužina provodnika,

S - površina poprečnog presjeka,

r je faktor proporcionalnosti, koji se naziva otpornost materijala.

Ova formula je dobro potvrđena iskustvom.

Interakcija čestica provodnika sa nabojima koji se kreću u struji zavisi od haotičnog kretanja čestica, tj. na temperaturu provodnika. To je poznato

r = r 0 (1 + m), (5)

R \u003d R 0 (1 + m).

Koeficijent a naziva se temperaturni koeficijent otpora:

a \u003d (R - R0) / R0 * t.

Za hemijski čiste metale a > 0 i jednako 1/273 K-1. Za legure, temperaturni koeficijenti su manje važni. Zavisnost r(t) za metale je linearna:

Godine 1911. otkriven je fenomen superprovodljivost, koji se sastoji u činjenici da na temperaturi blizu apsolutne nule otpor nekih metala naglo pada na nulu.

Za neke tvari (na primjer, elektroliti i poluvodiči), otpornost opada s povećanjem temperature, što se objašnjava povećanjem koncentracije slobodnih naboja.

Recipročna vrijednost otpornosti naziva se električna provodljivost s

c = 1 / g (7)

5. Napon - U, jedinica - 1 V.

Napon je fizička veličina jednaka radu vanjskih i električnih sila pri pomicanju jednog pozitivnog naboja.

U \u003d (st. + Ael.) / Q (8)

Pošto je Ast./q = e, a Ael./q = f1-f2, onda

U = e + (e1 - e2) (9)

2.7.2 Osnove električne sigurnosti

Prilikom rada i popravke električne opreme i mreža osoba može biti u zoni električnog polja ili u direktnom kontaktu sa električnim žicama pod naponom. Kao rezultat prolaska struje kroz osobu, može doći do kršenja njegovih vitalnih funkcija.

Opasnost od električnog udara pogoršava činjenica da, prvo, struja nema vanjske znakove i, u pravilu, osoba bez posebnih uređaja ne može unaprijed uočiti opasnost koja mu prijeti; drugo, uticaj struje na osobu u većini slučajeva dovodi do ozbiljnih povreda najvažnijih vitalnih sistema, kao što su centralni nervni, kardiovaskularni i respiratorni, što povećava težinu lezije; treće, naizmjenična struja može uzrokovati intenzivne grčeve mišića, što dovodi do efekta neotpuštanja, u kojem se osoba ne može samostalno osloboditi od djelovanja struje; četvrto, utjecaj struje uzrokuje oštru reakciju povlačenja kod osobe, au nekim slučajevima i gubitak svijesti, što pri radu na visini može dovesti do ozljeda uslijed pada.

Električna struja, prolazeći kroz ljudsko tijelo, može imati biološke, termičke, mehaničke i hemijske efekte. Biološki efekat je sposobnost električne struje da iritira i pobuđuje živa tkiva u telu, toplotni efekat je sposobnost da izazove opekotine, mehanički efekat je da dovede do rupture tkiva, a hemijski efekat je elektroliza krvi. .

Utjecaj električne struje na ljudsko tijelo može uzrokovati električne ozljede. Električna ozljeda je ozljeda uzrokovana izlaganjem električnoj struji ili električnom luku. Uobičajeno, električne ozljede se dijele na lokalne i opće. Kod lokalnih električnih ozljeda dolazi do lokalnog oštećenja tijela, izraženog u pojavi električnih opekotina,

električni znakovi, metalizacija kože, mehanička oštećenja i elektroftalmija (upala vanjskih membrana oka). Opšte električne ozljede, odnosno strujni udari, dovode do oštećenja cijelog organizma, izraženog u narušavanju ili potpunom prestanku rada najvitalnijih organa i sistema - pluća (disanje), srca (cirkulacija).

Električni udar je uzbuđenje živih tkiva tijela električnom strujom koja prolazi kroz njega, praćeno oštrim grčevitim kontrakcijama mišića, uključujući srčani mišić, što može dovesti do zastoja srca.

Lokalna električna ozljeda se odnosi na oštećenje kože i mišićnog tkiva, a ponekad i ligamenata i kostiju. To uključuje električne opekotine, električne znakove, metalizaciju kože, mehanička oštećenja.

Električne opekotine - najčešća električna ozljeda, nastaje kao posljedica lokalnog djelovanja struje na tkiva. Postoje dvije vrste opekotina - kontaktne i lučne.

Kontaktno opeklina je posljedica pretvaranja električne energije u toplinsku energiju i javlja se uglavnom u električnim instalacijama napona do 1.000 V.

Električna opekotina je takoreći hitni sistem, zaštita organizma, jer ugljenisana tkiva, zbog veće otpornosti od obične kože, ne dozvoljavaju struji da prodre duboko u vitalne sisteme i organe. Drugim riječima, zbog opekotina struja se zaustavlja.

Kada su tijelo i izvor napona u labavom kontaktu, na mjestima ulaza i izlaza struje nastaju opekotine. Ako struja prođe kroz tijelo nekoliko puta na različite načine, dolazi do višestrukih opekotina.

Višestruke opekotine najčešće nastaju pri naponima do 380 V zbog činjenice da takav napon "magnetizira" osobu i potrebno je vrijeme da se isključi. Struja visokog napona nema takvu "ljepljivost".

Naprotiv, odbacuje osobu, ali tako kratak kontakt je dovoljan za ozbiljne duboke opekotine. Pri naponu iznad 1000 V dolazi do električnih ozljeda s velikim dubokim opekotinama, jer u tom slučaju temperatura raste duž cijelog puta struje.

Da bi se procijenila opasnost od izlaganja električnoj struji na osobu, manifestiraju se tri kvalitativno različita odgovora. To je prije svega osjećaj, konvulzivnija kontrakcija mišića (neoslobađanje za naizmjeničnu struju i trajni bolni efekat) i, konačno, fistrilacija srca. Električne struje koje uzrokuju odgovarajući odgovor dijele se na opipljive, neoslobađajuće i fibrilacijske.

Kako se struja povećava, tri kvalitativno različite

odgovore. To je prvenstveno osjećaj, konvulzivnija kontrakcija

mišića (neoslobađanje za naizmjeničnu struju i trajni bolni efekat) i, konačno, firilacija srca. Električne struje koje uzrokuju odgovarajući odgovor dijele se na opipljive, neoslobađajuće i fibrilacijske.

Kako biste osigurali električnu sigurnost, slijedite sljedeće tehničkim načinima i znači (često u kombinaciji jedno s drugim): zaštitno uzemljenje; nuliranje; zaštitno isključivanje; izjednačavanje potencijala; nizak napon; električno razdvajanje mreže; izolacija strujnih dijelova; zaštitni uređaji; signalizacija upozorenja, blokada, sigurnosni znakovi; električnu zaštitnu opremu, sigurnosne uređaje itd.

Zaštitno uzemljenje- namjerno električno povezivanje sa uzemljenjem ili njegovim ekvivalentom metalnih dijelova koji ne nose struju koji mogu postati pod naponom kao rezultat oštećenja izolacije (GOST 12.1.009-76). Zaštitno uzemljenje se koristi u mrežama napona do 1000 V sa izolovanom nultom i u mrežama sa naponom iznad 1000 V, kako sa izolovanom tako i uzemljenom nultom.

Sigurnosno isključenje- ovo je zaštita velike brzine koja osigurava automatsko isključivanje električne instalacije (ne više od 0,2 s) u slučaju oštećenja u njoj, uključujući i kvar izolacije na kućištu opreme.

Izjednačavanje potencijala- metoda smanjenja napona dodira i koraka između tačaka električnog kola, koje se mogu dodirivati ​​u isto vrijeme ili na kojima osoba može stajati u isto vrijeme.

Nizak napon- nazivni napon ne veći od 42 V, koji se koristi za smanjenje rizika od strujnog udara.

Električno razdvajanje mreže- podjela mreže na odvojene, električni nepovezane dionice korištenjem separacije

transformator. Ako je jako razgranana električna mreža sa

veliki kapacitet i nizak otpor izolacije, podijeljeni u niz malih mreža istog napona, tada će imati zanemarljiv kapacitet i visok otpor izolacije. Rizik od strujnog udara je tako drastično smanjen.

Izolacija u električnim instalacijama služi za zaštitu od slučajnog kontakta s dijelovima pod naponom. Postoje radna, dodatna, dupla i ojačana elektro izolacija.

Zaštitni uređaji koriste se za sprječavanje dodirivanja ili opasnog pristupa dijelovima pod naponom.

Braveširoko se koristi u električnim instalacijama. One su mehaničke, električne, elektromagnetne, itd. Brave omogućavaju rasterećenje napona sa strujnih dijelova kada pokušate doći do njih prilikom otvaranja ograde bez skidanja napona.

Usmjereno (uređeno) kretanje slobodnih nabijenih čestica pod djelovanjem električnog polja naziva se električna struja.

Uslovi za postojanje struje:

1. Prisustvo besplatnih naknada.

2. Prisustvo električnog polja, tj. potencijalne razlike. U provodnicima su prisutni besplatni naboji. Električno polje stvaraju izvori struje.

Kada struja prolazi kroz provodnik, radi sljedeće:

Termički (zagrijavanje vodiča strujom). Na primjer: rad električnog kuhala za vodu, glačala itd.).

· Magnetno (pojava magnetnog polja oko provodnika sa strujom). Na primjer: rad elektromotora, električni mjerni instrumenti).

Hemijski ( hemijske reakcije prilikom prolaska struje kroz neke supstance). Na primjer: elektroliza.

Takođe možete razgovarati o tome

Svjetlost (prati termičko djelovanje). Na primjer: sjaj niti električne sijalice.

Mehanički (prati magnetske ili termalne). Na primjer: deformacija provodnika pri zagrijavanju, rotacija okvira strujom u magnetskom polju).

Biološki (fiziološki). Na primjer: strujni udar za osobu, korištenje djelovanja struje u medicini.

Glavne veličine koje opisuju proces prolaska struje kroz provodnik.

1. Trenutni I - skalar, jednak omjeru naboja koji je prošao kroz poprečni presjek provodnika, vremenski interval tokom kojeg je struja tekla. Jačina struje pokazuje koliko naboja prolazi kroz poprečni presjek vodiča u jedinici vremena. Struja se zove trajno ako se struja ne mijenja s vremenom. Da bi struja kroz vodič bila konstantna, potrebno je da razlika potencijala na krajevima vodiča bude konstantna.

2. Napon U. Napon je numerički jednak radu električnog polja pri kretanju jednog pozitivnog naboja duž linija sile unutar provodnika.

3. Električni otpor R- fizička veličina brojčano jednaka odnosu napona (razlike potencijala) na krajevima provodnika i jačine struje koja prolazi kroz provodnik.

60. Ohmov zakon za presjek lanca.

Jačina struje u dijelu strujnog kola je direktno proporcionalna naponu na krajevima ovog vodiča i obrnuto proporcionalna njegovom otporu:

I=U/R;

Ohm je otkrio da je otpor direktno proporcionalan dužini vodiča i obrnuto proporcionalan površini njegovog poprečnog presjeka i ovisi o tvari vodiča.

gdje je ρ otpornost, l je dužina vodiča, S je površina poprečnog presjeka vodiča.

61. Otpor kao električna karakteristika otpornika. Ovisnost otpora metalnih provodnika o vrsti materijala i geometrijskim dimenzijama.

Električni otpor- fizička veličina koja karakteriše svojstva provodnika da sprečava prolaz električne struje i jednaka je odnosu napona na krajevima vodiča i jačine struje koja kroz njega teče. Otpor za krugove naizmjenične struje i za naizmjenična elektromagnetna polja opisan je u smislu impedanse i valnog otpora.

Otpor (često označen slovom R ili r) se smatra u određenim granicama, konstantna vrijednost za ovaj provodnik; može se izračunati kao

gdje je R otpor; U je razlika u električnim potencijalima na krajevima vodiča; I je jačina struje koja teče između krajeva vodiča pod dejstvom razlike potencijala.

Otpor provodnika je ista karakteristika provodnika kao i njegova masa. Otpor vodiča ne zavisi od jačine struje u vodiču, niti od napona na njegovim krajevima, već zavisi samo od vrste materije od koje je vodič napravljen i njegovih geometrijskih dimenzija: , gdje je: l dužina vodiča, S površina poprečnog presjeka vodiča, ρ je specifični otpor vodiča, koji pokazuje koliki je otpor vodič dužine 1 m i površine poprečnog presjeka 1 m 2 od ovog materijala će imati.

Provodnici koji poštuju Ohmov zakon nazivaju se linearni. Postoje mnogi materijali i uređaji koji se ne pridržavaju Ohmovog zakona, kao što su poluvodička dioda ili lampa na plinskom pražnjenju. Čak i za metalne vodiče pri dovoljno visokim strujama, uočava se odstupanje od Ohmovog linearnog zakona, budući da električni otpor metalnih vodiča raste s povećanjem temperature.

Ovisnost otpora provodnika od temperature izražava se formulom: , gdje je: R - otpor provodnika na temperaturi T, R 0 - otpor provodnika na temperaturi od 0ºS, α - temperaturni koeficijent otpor.