Za postojanje istosmjerne električne struje nužna je prisutnost slobodnih nabijenih čestica i prisutnost izvora struje. u kojem se neki oblik energije pretvara u energiju električno polje.

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

Elektromotorna sila izvora struje zove se omjer rada vanjskih sila prema vrijednosti pozitivnog naboja prenesenog s negativnog pola izvora struje na pozitivni.

Osnovni koncepti.

Snaga struje - skalar fizička količina, jednak omjeru naboja koji je prošao kroz vodič, prema vremenu za koje je taj naboj prošao.

gdje ja - jakost struje, q - iznos naboja (količina električne energije), t - vrijeme prijenosa naplate.

gustoća struje - vektorska fizička veličina jednaka omjeru jakosti struje i površine poprečnog presjeka vodiča.

gdje j -gustoća struje, S - površina poprečnog presjeka vodiča.

Smjer vektora gustoće struje poklapa se sa smjerom gibanja pozitivno nabijenih čestica.

napon - skalarna fizikalna veličina jednaka omjeru ukupnog rada Coulombovih i vanjskih sila pri pomicanju pozitivnog naboja u području prema vrijednosti ovog naboja.

gdje A - puni rad trećih strana i Coulombovih sila, q - električno punjenje.

Električni otpor - fizikalna veličina koja karakterizira električna svojstva dijela kruga.

gdje ρ - specifični otpor vodiča, l - duljina dijela vodiča, S - površina poprečnog presjeka vodiča.

Provodljivost je recipročna vrijednost otpora

gdje G - provodljivost.

Ohmovi zakoni.

Ohmov zakon za homogeni dio lanca.

Jačina struje u homogenom odsječku strujnog kruga izravno je proporcionalna naponu pri konstantnom otporu odsječka i obrnuto proporcionalna otporu odsječka pri konstantnom naponu.

gdje U - napetosti u tom području R - otpor presjeka.

Ohmov zakon za proizvoljni dio kruga koji sadrži izvor istosmjerne struje.

gdje φ 1 - φ 2 + ε = U napon u određenom dijelu kruga,R - električni otpor određenog dijela kruga.

Ohmov zakon za kompletan krug.

Jakost struje u cijelom strujnom krugu jednaka je omjeru elektromotorne sile izvora i zbroja otpora vanjskog i unutarnjeg dijela kruga.

gdje R - električni otpor vanjskog dijela kruga, r - električni otpor unutarnjeg dijela kruga.

Kratki spoj.

Iz Ohmovog zakona za cijeli krug proizlazi da jakost struje u krugu s danim izvorom struje ovisi samo o otporu vanjskog strujnog kruga. R.

Ako se na polove izvora struje spoji vodič s otporom R<< r, tada će samo EMF izvora struje i njegov otpor odrediti vrijednost struje u krugu. Ova vrijednost jakosti 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 svjetiljku piše: 1,5 V. Što to znači? Dvije metalne kuglice s nabojima suprotnih predznaka spojite vodičem. Pod utjecajem električnog polja ovih naboja u vodiču nastaje električna struja ( sl.15.7). Ali ova će struja biti vrlo kratkog vijeka. Naboji se brzo međusobno neutraliziraju, potencijali kuglica postaju isti, a električno polje nestaje.

Snage treće strane. Da bi struja bila konstantna, potrebno je održavati konstantan napon između kuglica. Ovo zahtijeva uređaj strujni izvor), koji bi pomicao naboje s jedne kuglice na drugu u smjeru suprotnom od smjera sila koje na te naboje djeluju iz električnog polja kuglica. U takvom uređaju, osim električnih sila, na naboje moraju djelovati i sile neelektrostatskog podrijetla ( sl.15.8). Samo jedno električno polje nabijenih čestica ( Coulomb polje) nije u stanju održavati konstantnu struju u krugu.

Sve sile koje djeluju na električki nabijene čestice, s izuzetkom sila elektrostatskog podrijetla (tj. Coulombovih), nazivaju se vanjske sile. Zaključak o potrebi vanjskih sila za održavanje stalne struje u krugu postat će još očitiji ako se obratimo zakonu održanja energije. Elektrostatsko polje je potencijalno. Rad ovog polja pri kretanju nabijenih čestica u njemu duž zatvorenog električnog kruga jednak je nuli. Prolazak struje kroz vodiče prati oslobađanje energije – vodič se zagrijava. Stoga u strujnom krugu mora postojati neki izvor energije koji je opskrbljuje strujnim krugom. U njemu, osim Coulombovih sila, nužno moraju djelovati i treće strane, nepotencijalne sile. Rad tih sila duž zatvorene konture mora biti različit od nule. Upravo u procesu vršenja rada pomoću tih sila nabijene čestice dobivaju energiju unutar izvora struje i zatim je predaju vodičima električnog kruga. Tuđe sile pokreću nabijene čestice unutar svih izvora struje: u generatorima u elektranama, u galvanskim ćelijama, baterijama itd. Kada je krug zatvoren, u svim vodičima kruga stvara se električno polje. Unutar izvora struje naboji se kreću pod utjecajem vanjske sile vs. Coulombove sile(elektroni s pozitivno nabijene elektrode na negativnu), au vanjskom krugu pokreću ih električno polje (vidi sl. sl.15.8). Priroda stranih sila. Priroda vanjskih sila može biti različita. Kod generatora elektrane vanjske sile su sile koje djeluju sa strane magnetsko polje na elektrone u vodiču koji se kreće. U galvanskom članku, na primjer, Volta članku, djeluju kemijske sile. Volta element se sastoji od cinkove i bakrene elektrode smještene u otopinu sumporne kiseline. Kemijske 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 cinčane i bakrene elektrode javlja se razlika potencijala koja određuje struju u zatvorenom električnom krugu. Elektromotorna sila. Djelovanje vanjskih sila karakterizira važna fizikalna veličina tzv elektromotorna sila(skraćeno EMF). Elektromotorna sila izvora struje jednaka je omjeru rada vanjskih sila pri pomicanju naboja duž zatvorenog kruga do vrijednosti ovog naplatiti:

Elektromotorna sila se, kao i napon, izražava u voltima. Također možemo govoriti o elektromotornoj sili u bilo kojem dijelu kruga. Ovo je specifični rad vanjskih sila (rad pomicanja jediničnog naboja) ne u cijelom krugu, već samo u ovom području. Elektromotorna sila galvanskog članka je vrijednost brojčano jednaka radu vanjskih sila pri pomicanju jediničnog pozitivnog naboja unutar elementa s jednog pola na drugi. Rad vanjskih sila ne može se izraziti preko razlike 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 priključaka izvora struje izvan samog izvora jednak nuli. Sada znate što je EMF. Ako na bateriji piše 1,5 V, to znači da strane sile (u ovom slučaju kemijske) vrše rad od 1,5 J pri premještanju naboja od 1 C s jednog pola baterije na drugi. Istosmjerna struja ne može postojati u zatvorenom krugu ako u njemu ne djeluju vanjske sile, odnosno nema EMF.

PARALELNI I SERIJSKI SPAJ VODIČA

Uključimo u električni krug kao opterećenje (strujne potrošače) dvije žarulje sa žarnom niti od kojih svaka ima određeni otpor, a svaku od njih možemo zamijeniti vodičem istog otpora.

SERIJSKO POVEZIVANJE

Proračun parametara električnog kruga sa serijskim spojem otpora:

1. jakost struje u svim serijski spojenim dijelovima strujnog kruga je ista 2. napon u krugu koji se sastoji od više serijski spojenih sekcija jednak je zbroju napona u svakoj sekciji 3. otpor kruga koji se sastoji od nekoliko serijski spojenih dijelova jednak je zbroju otpora svakog dijela

4. rad električne struje u krugu koji se sastoji od serijski spojenih dionica jednak je zbroju rada u pojedinim dionicama

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

PARALELNI SPAJ

Izračun parametara električnog kruga s paralelnim spojem otpora:

1. jakost struje u nerazgranatom dijelu kruga jednaka je zbroju jakosti struje u svim paralelno spojenim dijelovima

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

(R - otpor vodiča, 1/R - električna vodljivost vodiča)

Ako su u strujnom krugu paralelno spojena samo dva otpornika, tada oko:

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

4. Rad električne struje u krugu koji se sastoji od paralelno spojenih dionica jednak je zbroju rada u pojedinim dionicama: A=A1+A2 5. Snaga električne struje u krugu koji se sastoji od paralelno spojenih dionica jednaka je zbroju snaga u pojedinim dionicama: P=P1+P2

Za dva otpora: tj. što je otpor veći, struja je manja.

Joule-Lenzov zakon je fizički zakon koji vam omogućuje određivanje toplinskog učinka struje u krugu, prema ovom zakonu: , gdje je I struja u krugu, R je otpor, t je vrijeme. Ova formula je izračunata stvaranjem kruga: galvanskog članka (baterije), otpornika i ampermetra. Otpornik je umočen u tekućinu, u koju je umetnut termometar i izmjerena je temperatura. Tako su izveli svoj zakon i zauvijek se utisnuli u povijest, ali i bez njihovih pokusa bilo je moguće izvesti isti zakon:

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

Zakon Joulea Lenza određuje količinu topline koja se oslobađa u dijelu električnog kruga s konačnim otporom kada kroz njega prolazi struja. Preduvjet je činjenica da u ovom dijelu lanca ne bi trebalo biti kemijskih transformacija.

RAD ELEKTRIČNE STRUJE

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

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 umnošku jakosti struje i napona te vremena protjecanja struje u krugu.

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

UČI, KRENI! Pri izračunavanju rada električne struje često se koristi izvansustavna višestruka jedinica rada električne struje: 1 kWh (kilovatsat).

1 kWh = ..........W.s = 3 600 000 J

U svakom stanu, za obračun potrošene električne energije, instalirani su posebni mjerači električne energije koji pokazuju rad električne struje, završen u određenom vremenskom razdoblju kada su uključeni različiti kućanski električni uređaji. Ova brojila pokazuju rad električne struje (utrošak električne energije) u "kWh".

Trebate naučiti izračunati trošak utrošene električne energije! Pažljivo razumijemo rješenje zadatka na 122. stranici udžbenika (52. stavak)!

SNAGA ELEKTRIČNE STRUJE

Snaga električne struje pokazuje obavljeni rad struje u jedinici vremena i jednaka je omjeru obavljenog rada i vremena u kojem je taj rad obavljen.

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

ili

Jedinica snage električne struje u SI sustavu:

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

Kirchhoffovi zakoni – pravila koja pokazuju kako su struje i naponi povezani u električnim krugovima. Ta je pravila formulirao Gustav Kirchhoff 1845. godine. U literaturi se često nazivaju Kirchhoffovim zakonima, ali to nije točno, budući da oni nisu zakoni prirode, već su izvedeni iz treće Maxwellove jednadžbe s konstantnim magnetskim poljem. No, ipak im je prvi naziv poznatiji, pa ćemo ih nazvati, kako je u literaturi uobičajeno - Kirchhoffovi zakoni.

Prvi Kirchhoffov zakon – zbroj struja koje konvergiraju u čvoru jednak je nuli.

Hajdemo shvatiti. Čvor je točka koja spaja grane. Grana je dio lanca između čvorova. Slika pokazuje da struja i ulazi u čvor, a struje i 1 i i 2 izlaze iz čvora. 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 na dvije manje struje i jednaka je zbroju 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 znakove pri sastavljanju jednadžbe.

Prvi Kirchhoffov zakon posljedica je zakona održanja elektriciteta: naboj koji dolazi u čvor u određenom vremenskom razdoblju jednak je naboju koji izlazi iz čvora u istom vremenskom intervalu, tj. električni naboj u čvoru se ne nakuplja i ne nestaje.

Drugi Kirchhoffov zakon – algebarski zbroj EMF-a koji djeluje u zatvorenom krugu jednak je algebarskom zbroju padova napona u ovom krugu.

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

Ovaj zakon ima i svoja pravila za primjenu. Najprije strelicom trebate postaviti smjer obilaznice konture. Zatim zbrojite EMF i napon, uzimajući znak plus ako se vrijednost podudara sa smjerom zaobilaznice i minus ako nije. Napravimo jednadžbu prema drugom Kirchhoffovom zakonu za našu shemu. Gledamo našu strelicu, E 2 i E 3 podudaraju se 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 podudara se u smjeru sa strelicom, a struje I 2 i I 3 su usmjerene suprotno. Posljedično:

-E 1 +E 2 +E 3 = ja 1 R 1 -ja 2 R 2 -ja 3 R 3

Na temelju Kirchhoffovih zakona sastavljene su metode za analizu sinusoidnih krugova izmjenične struje. Metoda struja petlje je metoda koja se temelji na primjeni drugog Kirchhoffovog zakona i metoda čvornih potencijala koja se temelji na primjeni prvog Kirchhoffovog zakona.

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

Prolazak struje kroz vodič popraćen je sljedećim radnjama:

* magnetski (primjećen u svim vodičima)
* toplinska (primjećuje se u svim vodičima osim u supravodičima)
* kemijski (promatrano u elektrolitima).

Za pojavu i održavanje struje u bilo kojem mediju moraju biti ispunjena dva uvjeta:

* prisutnost slobodnih električnih naboja u okolišu
* stvaranje električnog polja u okolini.

Električno polje u mediju potrebno je za stvaranje usmjerenog kretanja slobodnih naboja. Kao što znate, na naboj q u električnom polju jakosti E djeluje sila F = q * E, koja prisiljava slobodne naboje da se kreću u smjeru električnog polja. Znak postojanja električnog polja u vodiču je prisutnost nula razlika potencijala između bilo koje dvije točke vodiča,
Međutim, električne sile ne mogu održavati 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 krugu na naboje, osim Coulombovih sila, moraju djelovati i sile neelektrične prirode (vanjske sile).
Uređaj koji stvara vanjske sile, održava razliku potencijala u krugu i pretvara različite vrste energije u električnu energiju naziva se strujni izvor.
Za postojanje električne struje u zatvorenom krugu potrebno je u njega uključiti izvor struje.
Glavne karakteristike

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

Formula vrijedi za istosmjernu struju, u kojoj se jakost struje i njezin smjer ne mijenjaju s vremenom. Ako se jakost struje i njezin smjer mijenjaju s vremenom, onda se takva struja naziva promjenjivom.
Za klima uređaj:
I = limDq/Dt,
Dt - 0

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

3. Elektromotorna sila izvora struje – emf. (e), jedinica je 1 V (Volt). E.m.f. je fizikalna veličina jednaka radu vanjskih sila pri kretanju kroz električni krug s jednim pozitivnim nabojem:
e \u003d Ast. / q.

4. Otpor vodiča - R, jedinica - 1 ohm.
Pod djelovanjem električnog polja u vakuumu slobodni naboji bi se ubrzano kretali. U tvari se prosječno jednoliko gibaju jer dio energije dobivaju čestice materije u sudarima.

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

gdje
l - duljina vodiča,
S - površina poprečnog presjeka,
r je faktor proporcionalnosti, koji se naziva otpornost materijala.
Ova formula je dobro potvrđena iskustvom.
Međudjelovanje čestica vodiča s nabojima koji se kreću u struji ovisi o kaotičnom gibanju čestica, tj. na temperaturu vodiča. Poznato je da
r = r0(1 + a t) ,
R = R0(1 + a t) .

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

Za kemijski 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, elektrolite i poluvodiče) otpor se smanjuje s porastom temperature, što se objašnjava povećanjem koncentracije slobodnih naboja.
Recipročna vrijednost otpora naziva se električna vodljivost s
s = 1/r

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

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

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

Naboj u pokretu. Može biti u obliku iznenadnog pražnjenja statičkog elektriciteta, poput munje. Ili bi to mogao biti kontrolirani proces u generatorima, baterijama, solarnim ili gorivim ćelijama. Danas ćemo razmotriti sam koncept "električne struje" i uvjete za postojanje električne struje.

Električna energija

Većina električne energije koju koristimo dolazi u obliku izmjenične 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 zavojnice od žice koje prolaze kroz magnetska polja dok se vrte. Kako se zavojnice okreću, otvaraju se i zatvaraju u odnosu na magnetsko polje i stvaraju električnu struju koja mijenja smjer sa svakim okretajem. Struja prolazi kroz puni ciklus naprijed-natrag 60 puta u sekundi.

Generatore mogu pokretati parne turbine koje se zagrijavaju ugljenom, prirodnim plinom, naftom ili nuklearnim reaktorom. 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 time koliko su dobro vodovi izolirani od zemlje.

Zanimljivo je primijetiti da struju prenosi samo jedna žica, a ne dvije. Njegove dvije strane označene su kao pozitivna i negativna. Međutim, budući da se polaritet izmjenične struje mijenja 60 puta u sekundi, oni imaju druga imena - vruće (glavni dalekovodi) i uzemljene (prolaze ispod zemlje kako bi dovršili krug).

Zašto je potrebna struja?

Postoje mnoge namjene za električnu energiju: može osvijetliti vašu kuću, oprati i osušiti vašu odjeću, podići vaša garažna vrata, zakuhati vodu u kuhalu za vodu i napajati druge kućanske predmete koji nam uvelike olakšavaju život. No, sposobnost struje da prenosi informacije postaje sve važnija.

Kada je spojeno na internet, računalo koristi samo mali dio električne struje, ali to je nešto bez čega modernog čovjeka ne predstavlja njegov život.

Pojam električne struje

Poput riječne struje, toka molekula vode, električna struja je tok nabijenih čestica. Što je to što ga uzrokuje i zašto ne ide uvijek u istom smjeru? Kada čujete riječ tok, na što pomislite? Možda će to biti rijeka. To je dobra asocijacija, jer je to razlog zašto je električna struja dobila svoje ime. Vrlo je sličan strujanju vode, samo što se umjesto molekula vode po kanalu kreću nabijene čestice po vodiču.

Među uvjetima potrebnim za postojanje električne struje nalazi se i stavka koja predviđa prisutnost elektrona. Atomi u vodljivom materijalu imaju mnoge od tih slobodnih nabijenih čestica koje lebde oko i između atoma. Njihovo kretanje je nasumično, tako da nema protoka u bilo kojem smjeru. Što je potrebno za postojanje električne struje?

U uvjete za postojanje električne struje spada i postojanje napona. Kada se nanese na vodič, svi slobodni elektroni kretat će se u istom smjeru, stvarajući struju.

Zanima me električna struja

Zanimljivo, kada se električna energija prenosi kroz vodič brzinom svjetlosti, sami elektroni se kreću mnogo sporije. Zapravo, ako biste ležerno hodali pored vodljive žice, vaša bi brzina bila 100 puta veća od brzine elektrona. To je zbog činjenice da ne moraju putovati velike udaljenosti kako bi prenijeli energiju jedni drugima.

Istosmjerna i izmjenična struja

Dvije se danas široko koriste. različiti tipovi struja - izravna i promjenjiva. U prvom se elektroni kreću u jednom smjeru, s "negativne" strane na "pozitivnu". Izmjenična struja gura elektrone naprijed-natrag, mijenjajući smjer protoka nekoliko puta u sekundi.

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

Koji su uvjeti za postojanje istosmjerne 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. stoljeću bilo je jasno da je učinkovit prijenos energije na velike udaljenosti između elektrane i kuće moguć samo pri vrlo visokim naponima. Ali problem je bio taj slanje stvarno visoki napon bio izuzetno opasan za ljude.

Rješenje ovog problema bilo je smanjiti stres izvan kuće prije nego što ga pošaljete unutra. Do danas se istosmjerna električna struja koristi za prijenos na velike udaljenosti, uglavnom zbog svoje sposobnosti da se lako pretvara u druge napone.

Kako djeluje električna struja

Uvjeti za postojanje električne struje su prisutnost nabijenih čestica, vodiča i napona. Mnogi su znanstvenici proučavali elektricitet i otkrili da postoje dvije njegove vrste: statički i strujni.

To je sekunda koja igra veliku ulogu u svakodnevnom životu bilo koje osobe, budući da je električna struja koja prolazi kroz krug. Koristimo ga svakodnevno za napajanje naših domova i još mnogo toga.

Što je električna struja?

Kada električni naboji kruže u krugu s jednog mjesta na drugo, stvara se električna struja. Uvjeti za postojanje električne struje uključuju, osim nabijenih čestica, i prisutnost vodiča. Najčešće je to žica. Njegov strujni krug je zatvoreni krug 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, krug je otvoren, ali kada je krug zatvoren, svjetlo je upaljeno.

Trenutna snaga

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

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

Električni naboj u kretanju

Koji su uvjeti za postojanje električne struje? Može biti u obliku iznenadnog pražnjenja statičkog elektriciteta, poput munje ili iskre od trljanja o vunenu tkaninu. Češće, međutim, kada govorimo o električnoj struji, mislimo na kontroliraniji oblik električne energije koji omogućuje rad svjetla i uređaja. Većinu električnog naboja nose negativni elektroni i pozitivni protoni unutar atoma. Međutim, potonji su uglavnom imobilizirani iznutra atomske jezgre, tako da posao premještanja naboja s jednog mjesta na drugo obavljaju elektroni.

Elektroni u vodljivom materijalu kao što je metal uglavnom se slobodno kreću od jednog atoma do drugog duž svojih vodljivih pojaseva, koji su više orbite elektrona. Dovoljna elektromotorna sila ili napon stvara neravnotežu naboja koja može uzrokovati kretanje elektrona kroz vodič 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 cijelim putem do kraja cijevi. Vodu dobivamo na drugom kraju gotovo trenutno jer ulazna voda potiskuje vodu koja je već u cijevi. To se događa u slučaju električne struje u žici.

Električna struja: uvjeti za postojanje električne struje

Električna struja se obično promatra kao tok elektrona. Kada su dva kraja baterije međusobno spojena metalnom žicom, ta nabijena masa prolazi kroz žicu od jednog kraja (elektrode ili pola) baterije do suprotnog. Dakle, nazovimo uvjete za postojanje električne struje:

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

Međutim, nije sve tako jednostavno. Koji su uvjeti potrebni za postojanje električne struje? Na ovo pitanje može se detaljnije odgovoriti razmatranjem sljedećih karakteristika:

• Razlika potencijala (napona). Ovo je jedan od preduvjeta. Između 2 točke mora postojati potencijalna razlika, što znači da odbojna sila koju stvaraju nabijene čestice na jednom mjestu mora biti veća od njihove sile na drugoj točki. Izvori napona općenito se ne nalaze u prirodi, a elektroni su raspoređeni u okoliš prilično ravnomjerno. Ipak, znanstvenici su uspjeli izmisliti određene vrste uređaja u kojima se te nabijene čestice mogu akumulirati, stvarajući tako potreban napon (na primjer, u baterijama).
• Električni otpor (vodič). Ovo je drugi važan uvjet koji je neophodan za postojanje električne struje. To je put kojim putuju nabijene čestice. Samo oni materijali koji omogućuju slobodno kretanje elektrona djeluju kao vodiči. Oni koji nemaju tu sposobnost nazivaju se izolatorima. Na primjer, metalna žica bit će izvrstan vodič, dok će njezin gumeni omotač biti izvrstan izolator.

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

Za pojavu i održavanje struje u bilo kojem mediju moraju biti ispunjena dva uvjeta:

U različitim medijima nositelji električne struje su različito nabijene čestice.

Električno polje u mediju je neophodno stvoriti usmjereno kretanje slobodnih naboja. Kao što je poznato, po naboju q u električnom polju jakosti E sila djeluje F= q* E,što prisiljava slobodne naboje da se kreću u smjeru električnog polja. Znak postojanja električnog polja u vodiču je postojanje razlike potencijala između bilo koje dvije točke vodiča, tj.

Međutim, električne sile ne mogu održavati 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 krugu osim Coulombovih sila moraju djelovati i sile na naboje neelektrični priroda (vanjske sile).

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

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

Glavne karakteristike

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

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

Formula (1) vrijedi za istosmjerna struja, kod koje se jakost i smjer struje ne mijenjaju s vremenom. Ako se jakost struje i njezin smjer mijenjaju s vremenom, tada se takva struja naziva varijable.

Za klima uređaj:

I \u003d NtDd / Dt, (*)

oni. \u003d q", gdje je q" derivacija naboja u odnosu na vrijeme.

2. Gustoća struje - j, mjerna jedinica - 1 A/m2.

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

3. Elektromotorna sila izvora struje - emf. (e), jedinica je 1 V (Volt). E.m.f. je fizikalna veličina jednaka radu vanjskih sila pri kretanju kroz električni krug s jednim pozitivnim nabojem:

e = prijatelj. / g. (3)

4. Otpor vodiča - R, mjerna jedinica - 1 Ohm.

Pod djelovanjem električnog polja u vakuumu slobodni naboji bi se ubrzano kretali. U tvari se prosječno jednoliko gibaju jer dio energije dobivaju čestice materije u sudarima.

Teorija kaže da se energija uređenog kretanja naboja raspršuje distorzijama kristalne rešetke. Na temelju prirode električnog otpora slijedi da

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

l - duljina vodiča,

S - površina poprečnog presjeka,

r je faktor proporcionalnosti, koji se naziva otpornost materijala.

Ova formula je dobro potvrđena iskustvom.

Međudjelovanje čestica vodiča s nabojima koji se kreću u struji ovisi o kaotičnom gibanju čestica, tj. na temperaturu vodiča. Poznato je da

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 kemijski 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 supravodljivost, koji se sastoji u tome što kod temperature blizu apsolutne nule otpor nekih metala naglo pada na nulu.

Za neke tvari (na primjer, elektrolite i poluvodiče) otpor se smanjuje s porastom temperature, što se objašnjava povećanjem koncentracije slobodnih naboja.

Recipročna vrijednost otpora naziva se električna vodljivost s

c = 1 / g. (7)

5. Napon - U, jedinica - 1 V.

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

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

Kako je Ast./q = e, a Ael./q = f1-f2, tada

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

2.7.2 Osnove električne sigurnosti

Tijekom rada i popravka električne opreme i mreža, osoba može biti u polju električnog polja ili u izravnom kontaktu s električnim žicama pod naponom. Kao rezultat prolaska struje kroz osobu, može doći do kršenja njegovih vitalnih funkcija.

Opasnost od strujnog udara pogoršava činjenica da, prvo, struja nema vanjskih znakova i, u pravilu, osoba bez posebnih uređaja ne može unaprijed otkriti opasnost koja mu prijeti; drugo, utjecaj struje na osobu u većini slučajeva dovodi do ozbiljnih kršenja najvažnijih vitalnih sustava, kao što su središnji živčani, kardiovaskularni i respiratorni, što povećava težinu lezije; treće, izmjenična struja može izazvati intenzivne grčeve mišića, što dovodi do učinka neotpuštanja, u kojem se osoba ne može samostalno osloboditi učinaka 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 kao posljedica pada.

Električna struja, prolazeći kroz ljudsko tijelo, može imati biološke, toplinske, mehaničke i kemijske učinke. Biološki učinak je sposobnost električne struje da iritira i pobuđuje živa tkiva u tijelu, toplinski učinak je sposobnost izazivanja opeklina tijela, mehanički učinak je da dovodi do pucanja tkiva, a kemijski učinak je elektroliza krvi. .

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

električni znakovi, metalizacija kože, mehanička oštećenja i elektroftalmija (upala vanjskih ovojnica oka). Opće strujne ozljede, odnosno strujni udari, dovode do oštećenja cijelog organizma, što se izražava u kršenju ili potpunom prestanku aktivnosti najvitalnijih organa i sustava - pluća (disanje), srce (cirkulacija).

Električni udar je ekscitacija živih tkiva tijela električnom strujom koja prolazi kroz njih, popraćena oštrim grčevitim kontrakcijama mišića, uključujući srčani mišić, što može dovesti do srčanog zastoja.

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

Električne opekline - najčešća električna ozljeda, nastaje kao rezultat lokalnog djelovanja struje na tkiva. Postoje dvije vrste opeklina - kontaktne i lučne.

Kontaktna opeklina je posljedica pretvorbe električne energije u toplinsku i javlja se uglavnom u električnim instalacijama napona do 1000 V.

Električna opeklina je takoreći hitni sustav, zaštita organizma, budući da pougljenjena tkiva, zbog većeg otpora od obične kože, ne dopuštaju elektricitetu da prodre duboko u vitalne sustave i organe. Drugim riječima, zbog opekline dolazi do zastoja struje.

Kada su tijelo i izvor napona u labavom kontaktu, nastaju opekline na mjestima ulaza i izlaza struje. Prođe li struja kroz tijelo više puta na različite načine, dolazi do višestrukih opeklina.

Višestruke opekline najčešće se javljaju pri naponu do 380 V zbog činjenice da takav napon "magnetizira" osobu i potrebno je vrijeme za odspajanje. Struja visokog napona nema takvu "ljepljivost".

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

Za procjenu opasnosti od izlaganja električnoj struji na osobu manifestiraju se tri kvalitativno različita odgovora. To je prije svega osjet, jače grčevito stezanje mišića (neotpuštanje za izmjeničnu struju i bolni učinak trajnog) i, konačno, fisrilacija srca. Električne struje koje izazivaju odgovarajući odgovor dijele se na opipljive, neotpuštajuće i fibrilacijske.

Kako struja raste, tri se kvalitativno razlikuju

odgovori. To je prvenstveno senzacija, grčevitija kontrakcija

mišića (neotpuštanje za izmjeničnu struju i bolni učinak trajnog) i, konačno, fisrilacija srca. Električne struje koje izazivaju odgovarajući odgovor dijele se na opipljive, neotpuštajuće i fibrilacijske.

Kako bi se osigurala električna sigurnost, sljedeće tehničke načine i znači (često u kombinaciji jedan s drugim): zaštitno uzemljenje; nuliranje; zaštitno isključivanje; izjednačavanje potencijala; Niski napon; električno odvajanje mreže; izolacija dijelova pod strujom; zaštitni uređaji; alarm upozorenja, blokada, sigurnosni znakovi; električna zaštitna oprema, sigurnosni uređaji itd.

Zaštitno uzemljenje- namjerno električno spajanje na uzemljenje ili njegov ekvivalent metalnih dijelova bez struje koji mogu postati pod naponom kao rezultat oštećenja izolacije (GOST 12.1.009-76). Zaštitno uzemljenje koristi se u mrežama napona do 1000 V s izoliranom neutralnom nulom iu mrežama napona iznad 1000 V, i s izoliranom i uzemljenom neutralnom nulom.

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

Izjednačenje potencijala- metoda smanjenja napona dodira i koraka između točaka električnog kruga, koje se mogu dodirnuti u isto vrijeme ili na kojima osoba može stajati u isto vrijeme.

Niski napon- nazivni napon ne veći od 42 V, koristi se za smanjenje opasnosti od strujnog udara.

Električno odvajanje mreže- podjela mreže na odvojene, električno nepovezane dijelove pomoću razdjelnika

transformator. Ako je jako razgranata električna mreža sa

velikog kapaciteta i malog izolacijskog otpora, podijeljeni u više malih mreža istog napona, tada će imati mali kapacitet i visok izolacijski otpor. 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, dvostruka i pojačana električna izolacija.

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

Braveširoko se koristi u električnim instalacijama. Oni su mehanički, električni, elektromagnetski itd. Blokade osiguravaju rasterećenje napona od dijelova pod strujom kada pokušate doći do njih kada otvarate ogradu bez uklanjanja napona.

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

Uvjeti za postojanje struje:

1. Prisutnost besplatnih naknada.

2. Prisutnost električnog polja, t.j. potencijalna razlika. Slobodni naboji prisutni su u vodičima. Električno polje stvaraju izvori struje.

Kada struja prolazi kroz vodič, čini sljedeće:

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

Magnetski (pojava magnetskog polja oko vodiča s strujom). Na primjer: rad elektromotora, električni mjerni instrumenti).

Kemijski ( kemijske reakcije pri prolasku struje kroz neke tvari). Na primjer: elektroliza.

Također možete razgovarati o

Svjetlo (prati toplinsko djelovanje). Na primjer: sjaj žarne niti električne žarulje.

Mehanički (prati magnetski ili toplinski). Na primjer: deformacija vodiča pri zagrijavanju, rotacija okvira s strujom u magnetskom polju).

Biološki (fiziološki). Na primjer: električni udar čovjeka, korištenje djelovanja struje u medicini.

Glavne veličine koje opisuju proces prolaska struje kroz vodič.

1. Struja I - skalar, jednak omjeru naboja koji je prošao kroz presjek vodiča, vremenskom intervalu tijekom kojeg je struja tekla. Jakost struje pokazuje koliko naboja prođe kroz presjek vodiča u jedinici vremena. Struja se zove trajnog 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 brojčano jednak radu električnog polja pri pomicanju jednog pozitivnog naboja duž silnica polja unutar vodiča.

3. Električni otpor R- fizikalna veličina brojčano jednaka omjeru napona (razlike potencijala) na krajevima vodiča i jakosti struje koja prolazi kroz vodič.

60. Ohmov zakon za dio lanca.

Jačina struje u dijelu kruga izravno je proporcionalna naponu na krajevima ovog vodiča i obrnuto proporcionalna njegovom otporu:

I = U / R;

Ohm je utvrdio da je otpor izravno proporcionalan duljini vodiča i obrnuto proporcionalan površini njegova presjeka te ovisi o tvari vodiča.

gdje je ρ otpor, l je duljina vodiča, S je površina poprečnog presjeka vodiča.

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

Električni otpor- fizikalna veličina koja karakterizira svojstva vodiča da sprječava prolaz električne struje i jednaka je omjeru napona na krajevima vodiča i jakosti struje koja njime teče. Otpor za strujne krugove izmjenične struje i za izmjenična elektromagnetska polja opisuje se pomoću impedancije i valnog otpora.

Otpor (često označen slovom R ili r) smatra se, unutar određenih granica, konstantna vrijednost za ovaj dirigent; može se izračunati kao

Gdje je R otpor; U je razlika električnih potencijala na krajevima vodiča; I je jakost struje koja teče između krajeva vodiča pod djelovanjem razlike potencijala.

Otpor vodiča ista je karakteristika vodiča kao i njegova masa. Otpor vodiča ne ovisi o jakosti struje u vodiču, niti o naponu na njegovim krajevima, već ovisi samo o vrsti tvari od koje je vodič izrađen i njegovim geometrijskim dimenzijama: , gdje je: l duljina vodiča, S površina poprečnog presjeka vodiča, ρ je specifični otpor vodiča, koji pokazuje koliki otpor ima vodič duljine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 m 2 od ovog materijala će imati.

Vodiči koji se pridržavaju Ohmovog zakona nazivaju se linearnim. Postoje mnogi materijali i uređaji koji ne poštuju Ohmov zakon, poput poluvodičke diode ili svjetiljke s izbojem u plinu. Čak i za metalne vodiče pri dovoljno velikim strujama, opaža se odstupanje od Ohmovog linearnog zakona, budući da se električni otpor metalnih vodiča povećava s povećanjem temperature.

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