Pre existenciu jednosmerného elektrického prúdu je potrebná prítomnosť voľných nabitých častíc a prítomnosť zdroja prúdu. pri ktorej sa nejaká forma energie premieňa na energiu elektrické pole.

Aktuálny zdroj - zariadenie, v ktorom sa akýkoľvek druh energie premieňa na energiu elektrického poľa. V zdroji prúdu pôsobia vonkajšie sily na nabité častice v uzavretom okruhu. Dôvody výskytu vonkajších síl v rôznych zdrojoch prúdu sú rôzne. Napríklad v batériách a galvanických článkoch vznikajú vonkajšie sily v dôsledku prúdenia chemických reakcií, v generátoroch elektrární vznikajú pri pohybe vodiča v magnetickom poli, vo fotočlánkoch - pri pôsobení svetla na elektróny v kovoch a polovodičoch.

Elektromotorická sila zdroja prúdu nazývaný pomer práce vonkajších síl k hodnote kladného náboja preneseného zo záporného pólu zdroja prúdu na kladný.

Základné pojmy.

Súčasná sila - skalárny fyzikálne množstvo rovná pomeru náboja, ktorý prešiel vodičom, k času, za ktorý tento náboj prešiel.

kde ja - sila prúdu, q - výška poplatku (množstvo elektriny), t - účtovať čas prepravy.

súčasná hustota - vektorová fyzikálna veličina rovnajúca sa pomeru sily prúdu k ploche prierezu vodiča.

kde j -súčasná hustota, S - prierezová plocha vodiča.

Smer vektora prúdovej hustoty sa zhoduje so smerom pohybu kladne nabitých častíc.

Napätie - skalárna fyzikálna veličina rovnajúca sa pomeru celkovej práce Coulomba a vonkajších síl pri pohybe kladného náboja v oblasti k hodnote tohto náboja.

kde A - plná práca tretích strán a Coulombových síl, q - nabíjačka.

Elektrický odpor - fyzikálna veličina charakterizujúca elektrické vlastnosti časti obvodu.

kde ρ - špecifický odpor vodiča, l - dĺžka časti vodiča, S - prierezová plocha vodiča.

Vodivosť je prevrátená hodnota odporu

kde G - vodivosť.

Ohmove zákony.

Ohmov zákon pre homogénny úsek reťazca.

Intenzita prúdu v homogénnom úseku obvodu je priamo úmerná napätiu pri konštantnom odpore sekcie a nepriamo úmerná odporu sekcie pri konštantnom napätí.

kde U - napätie v oblasti R - odpor sekcie.

Ohmov zákon pre ľubovoľnú časť obvodu obsahujúcu zdroj jednosmerného prúdu.

kde φ 1 - φ 2 + ε = U napätie v danej časti obvodu,R - elektrický odpor daného úseku obvodu.

Ohmov zákon pre úplný obvod.

Prúdová sila v kompletnom obvode sa rovná pomeru elektromotorickej sily zdroja k súčtu odporov vonkajšej a vnútornej časti obvodu.

kde R - elektrický odpor vonkajšej časti obvodu, r - elektrický odpor vnútorného úseku obvodu.

Skrat.

Z Ohmovho zákona pre úplný obvod vyplýva, že sila prúdu v obvode s daným zdrojom prúdu závisí len od odporu vonkajšieho obvodu R.

Ak je na póly zdroja prúdu pripojený vodič s odporom R<< r, potom iba EMF zdroja prúdu a jeho odpor určí hodnotu prúdu v obvode. Táto hodnota intenzity prúdu bude limitom pre tento zdroj prúdu a nazýva sa skratový prúd.

Elektromotorická sila. Akýkoľvek zdroj prúdu je charakterizovaný elektromotorickou silou alebo v skratke EMF. Takže na okrúhlej batérii do baterky je napísané: 1,5 V. Čo to znamená? Spojte vodičom dve kovové guľôčky nesúce náboje opačného znamienka. Pod vplyvom elektrického poľa týchto nábojov vzniká vo vodiči elektrický prúd ( obr.15.7). Ale tento prúd bude veľmi krátkodobý. Náboje sa rýchlo navzájom neutralizujú, potenciály guľôčok sa stanú rovnakými a elektrické pole zmizne.

Sily tretích strán. Aby bol prúd konštantný, je potrebné udržiavať konštantné napätie medzi guľôčkami. To si vyžaduje zariadenie aktuálny zdroj), ktorý by presúval náboje z jednej gule do druhej v smere opačnom ako je smer síl pôsobiacich na tieto náboje z elektrického poľa guľôčok. V takomto zariadení musia okrem elektrických síl pôsobiť na náboje aj sily neelektrostatického pôvodu ( obr.15.8). Iba jedno elektrické pole nabitých častíc ( Coulomb lúka) nie je schopný udržiavať konštantný prúd v obvode.

Akékoľvek sily pôsobiace na elektricky nabité častice, s výnimkou síl elektrostatického pôvodu (t.j. Coulombových), sa nazývajú vonkajšie sily. Záver o potrebe vonkajších síl na udržanie konštantného prúdu v obvode bude ešte zreteľnejší, ak sa obrátime na zákon zachovania energie. Elektrostatické pole je potenciálne. Práca tohto poľa pri pohybe nabitých častíc v ňom pozdĺž uzavretého elektrického obvodu je nulová. Prechod prúdu cez vodiče je sprevádzaný uvoľňovaním energie - vodič sa zahrieva. Preto musí byť v obvode nejaký zdroj energie, ktorý ju do obvodu dodáva. V ňom musia nevyhnutne pôsobiť okrem Coulombových síl aj sily tretích strán, nepotencionálne. Práca týchto síl pozdĺž uzavretého obrysu sa musí líšiť od nuly. V procese pôsobenia týchto síl nabité častice získavajú energiu vo vnútri zdroja prúdu a potom ju odovzdávajú vodičom elektrického obvodu. Sily tretích strán uvedú do pohybu nabité častice vo všetkých zdrojoch prúdu: v generátoroch v elektrárňach, v galvanických článkoch, batériách atď. Keď je obvod uzavretý, vo všetkých vodičoch obvodu vzniká elektrické pole. Vo vnútri zdroja prúdu sa náboje pohybujú pod vplyvom vonkajšie sily vs. Coulombove sily(elektróny z kladne nabitej elektródy na zápornú) a vo vonkajšom obvode sú uvádzané do pohybu elektrickým poľom (pozri obr. obr.15.8). Povaha vonkajších síl. Povaha vonkajších síl môže byť rôzna. V generátoroch elektrární sú vonkajšie sily sily pôsobiace zo strany magnetické pole na elektróny v pohybujúcom sa vodiči. V galvanickom článku, akým je napríklad Voltov článok, pôsobia chemické sily. Prvok Volta pozostáva zo zinkových a medených elektród umiestnených v roztoku kyseliny sírovej. Chemické sily spôsobujú rozpustenie zinku v kyseline. Pozitívne nabité ióny zinku prechádzajú do roztoku, zatiaľ čo samotná zinková elektróda sa nabije záporne. (Meď sa v kyseline sírovej rozpúšťa veľmi málo.) Medzi zinkovou a medenou elektródou sa objavuje potenciálny rozdiel, ktorý určuje prúd v uzavretom elektrickom obvode. Elektromotorická sila. Pôsobenie vonkajších síl charakterizuje dôležitá fyzikálna veličina tzv elektromotorická sila(skrátene EMF). Elektromotorická sila zdroja prúdu sa rovná pomeru práce vonkajších síl pri pohybe náboja pozdĺž uzavretého okruhu k hodnote tohto poplatok:

Elektromotorická sila, podobne ako napätie, sa vyjadruje vo voltoch. Môžeme tiež hovoriť o elektromotorickej sile v ktorejkoľvek časti obvodu. Ide o špecifickú prácu vonkajších síl (prácu pri pohybe jednotkového náboja) nie v celom okruhu, ale iba v tejto oblasti. Elektromotorická sila galvanického článku je hodnota, ktorá sa číselne rovná práci vonkajších síl pri presune jednotkového kladného náboja vo vnútri prvku z jedného pólu na druhý. Prácu vonkajších síl nemožno vyjadriť rozdielom potenciálov, pretože vonkajšie sily sú nepotencionálne a ich práca závisí od tvaru trajektórie náboja. Takže napríklad práca vonkajších síl pri pohybe náboja medzi svorkami zdroja prúdu mimo samotného zdroja sa rovná nule. Teraz viete, čo je EMF. Ak je na batérii napísané 1,5 V, potom to znamená, že sily tretích strán (v tomto prípade chemické) vykonajú 1,5 J práce pri presune náboja 1 C z jedného pólu batérie na druhý. Jednosmerný prúd nemôže existovať v uzavretom okruhu, ak v ňom nepôsobia vonkajšie sily, to znamená, že neexistuje EMF.

PARALELNÉ A SÉRIOVÉ ZAPOJENIE VODIČOV

Zahrňme do elektrického obvodu ako záťaž (spotrebitelia prúdu) dve žiarovky, z ktorých každá má určitý špecifický odpor a každá môže byť nahradená vodičom s rovnakým odporom.

SÉRIOVÉ ZAPOJENIE

Výpočet parametrov elektrického obvodu so sériovým zapojením odporov:

1. sila prúdu vo všetkých sériovo zapojených úsekoch obvodu je rovnaká 2. napätie v obvode pozostávajúcom z niekoľkých sekcií zapojených do série sa rovná súčtu napätí v každej sekcii 3. odpor obvodu pozostávajúceho z niekoľkých sériovo zapojených sekcií sa rovná súčtu odporov každej sekcie

4. práca elektrického prúdu v obvode pozostávajúcom zo sériovo zapojených sekcií sa rovná súčtu práce v jednotlivých sekciách.

A \u003d A1 + A2 5. výkon elektrického prúdu v obvode pozostávajúcom zo sériovo zapojených sekcií sa rovná súčtu výkonov v jednotlivých sekciách

PARALELNÉ ZAPOJENIE

Výpočet parametrov elektrického obvodu s paralelným zapojením odporov:

1. prúdová sila v nerozvetvenej časti obvodu sa rovná súčtu prúdových síl vo všetkých paralelne pripojených častiach

3. keď sú odpory zapojené paralelne, pripočítajú sa hodnoty, ktoré sú inverzné k odporu:

(R - odpor vodiča, 1/R - elektrická vodivosť vodiča)

Ak sú v obvode paralelne zapojené iba dva odpory, potom o:

(pri paralelnom zapojení je celkový odpor obvodu menší ako menší zo zahrnutých odporov)

4. Práca elektrického prúdu v obvode pozostávajúcom z paralelne zapojených sekcií sa rovná súčtu práce v jednotlivých sekciách: A=A1+A2 5. Výkon elektrického prúdu v obvode pozostávajúcom z paralelne zapojených sekcií sa rovná súčtu výkonov v jednotlivých sekciách: P=P1+P2

Pre dva odpory: t.j. čím väčší odpor, tým menší prúd má.

Joule-Lenzov zákon je fyzikálny zákon, ktorý vám umožňuje určiť tepelný účinok prúdu v obvode podľa tohto zákona: , kde I je prúd v obvode, R je odpor, t je čas. Tento vzorec bol vypočítaný vytvorením obvodu: galvanický článok (batéria), odpor a ampérmeter. Rezistor sa ponoril do kvapaliny, do ktorej sa vložil teplomer a merala sa teplota. Takto odvodili svoj zákon a navždy sa vtlačili do histórie, ale aj bez ich experimentov bolo možné odvodiť rovnaký zákon:

U=A/q ​​​​A=U*q=U*I*t=I^2*R*t, ale napriek tejto cti a chvále týmto ľuďom.

Zákon Joule Lenza určuje množstvo tepla uvoľneného v úseku elektrického obvodu s konečným odporom, keď ním prechádza prúd. Predpokladom je skutočnosť, že v tejto časti reťazca by nemalo dochádzať k žiadnym chemickým premenám.

PRÁCA ELEKTRICKÉHO PRÚDU

Práca elektrického prúdu ukazuje, koľko práce vykonalo elektrické pole pri pohybe nábojov cez vodič.

Keď poznáte dva vzorce: I \u003d q / t ..... a ..... U \u003d A / q, môžete odvodiť vzorec na výpočet práce elektrického prúdu: Práca elektrického prúdu sa rovná súčinu sily prúdu a napätia a času, počas ktorého prúd tečie v obvode.

Jednotka merania pre prácu elektrického prúdu v systéme SI: [ A ] \u003d 1 J \u003d 1A. b. c

UČTE SA, CHOĎTE! Pri výpočte práce elektrického prúdu sa často používa mimosystémová viacnásobná jednotka práce elektrického prúdu: 1 kWh (kilowatthodina).

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

V každom byte sú na započítanie spotrebovanej elektriny nainštalované špeciálne elektromery, ktoré ukazujú prácu elektrického prúdu, dokončenú počas určitého časového obdobia, keď sú zapnuté rôzne domáce elektrické spotrebiče. Tieto merače ukazujú prácu elektrického prúdu (spotrebu elektriny) v "kWh".

Musíte sa naučiť, ako vypočítať náklady na spotrebovanú elektrinu! Dôkladne rozumieme riešeniu úlohy na strane 122 učebnice (odsek 52)!

ELEKTRICKÝ PRÚD

Výkon elektrického prúdu ukazuje prácu prúdu vykonanú za jednotku času a rovná sa pomeru vykonanej práce k času, počas ktorého bola táto práca vykonaná.

(sila v mechanike sa zvyčajne označuje písmenom N, v elektrotechnike - písm R), pretože A = IUt potom sa výkon elektrického prúdu rovná:

alebo

Jednotka výkonu elektrického prúdu v sústave SI:

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

Kirchhoffove zákony – pravidlá, ktoré ukazujú, ako súvisia prúdy a napätia v elektrických obvodoch. Tieto pravidlá sformuloval Gustav Kirchhoff v roku 1845. V literatúre sa často nazývajú Kirchhoffove zákony, ale nie je to pravda, keďže nejde o zákony prírody, ale boli odvodené z tretej Maxwellovej rovnice s konštantným magnetickým poľom. Ale predsa len, krstné meno je im známejšie, preto ich budeme volať, ako je to v literatúre zvykom – Kirchhoffove zákony.

Prvý Kirchhoffov zákon – súčet prúdov zbiehajúcich sa v uzle sa rovná nule.

Poďme na to. Uzol je bod, ktorý spája vetvy. Vetva je úsek reťazca medzi uzlami. Obrázok ukazuje, že prúd i vstupuje do uzla a prúdy i 1 a i 2 opúšťajú uzol. Zostavíme výraz podľa prvého Kirchhoffovho zákona za predpokladu, že prúdy vstupujúce do uzla majú znamienko plus a prúdy vychádzajúce z uzla majú znamienko mínus i-i 1 -i 2 =0. Prúd i sa šíri do dvoch menších prúdov a rovná sa súčtu prúdov i 1 a i 2 i = i 1 + i 2. Ale ak by napríklad prúd i 2 vstúpil do uzla, potom by prúd I bol definovaný ako i=i 1 -i 2 . Pri zostavovaní rovnice je dôležité brať do úvahy znamienka.

Prvý Kirchhoffov zákon je dôsledkom zákona zachovania elektriny: náboj prichádzajúci do uzla v určitom časovom úseku sa rovná náboju opúšťajúcemu uzol v rovnakom časovom intervale, t.j. elektrický náboj v uzle sa nehromadí a nezmizne.

Druhý Kirchhoffov zákon – algebraický súčet EMF pôsobiaceho v uzavretom obvode sa rovná algebraickému súčtu úbytkov napätia v tomto obvode.

Napätie je vyjadrené ako súčin prúdu a odporu (podľa Ohmovho zákona).

Aj tento zákon má svoje vlastné pravidlá uplatňovania. Najprv musíte šípkou nastaviť smer obchádzania obrysu. Potom spočítajte EMF a napätie, ak sa hodnota zhoduje so smerom bypassu, so znamienkom plus a ak sa nezhoduje, so znamienkom mínus. Zostavme rovnicu podľa druhého Kirchhoffovho zákona pre našu schému. Pozeráme sa na našu šípku, E 2 a E 3 sa s ňou zhodujú v smere, čo znamená znamienko plus, a E 1 smeruje opačným smerom, čo znamená znamienko mínus. Teraz sa pozrieme na napätia, prúd I 1 sa zhoduje v smere šípky a prúdy I 2 a I 3 smerujú opačne. V dôsledku toho:

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

Na základe Kirchhoffových zákonov boli zostavené metódy na analýzu sínusových obvodov striedavého prúdu. Metóda slučkového prúdu je metóda založená na aplikácii druhého Kirchhoffovho zákona a metóda uzlových potenciálov založená na aplikácii prvého Kirchhoffovho zákona.

Elektrina- usporiadaný pohyb elektrické náboje. Smer prúdu sa považuje za smer pohybu kladných nábojov.

Prechod prúdu cez vodič je sprevádzaný nasledujúcimi činnosťami:

* magnetické (pozorované vo všetkých vodičoch)
* tepelné (pozorované vo všetkých vodičoch okrem supravodičov)
* chemické (pozorované v elektrolytoch).

Pre výskyt a udržiavanie prúdu v akomkoľvek médiu musia byť splnené dve podmienky:

* prítomnosť voľných elektrických nábojov v prostredí
* vytváranie elektrického poľa v prostredí.

Elektrické pole v médiu je potrebné na vytvorenie riadeného pohybu voľných nábojov. Ako viete, náboj q v elektrickom poli o sile E je ovplyvnený silou F = q * E, ktorá núti voľné náboje pohybovať sa v smere elektrického poľa. Znakom existencie elektrického poľa vo vodiči je prítomnosť nula potenciálny rozdiel medzi akýmikoľvek dvoma bodmi vodiča,
Elektrické sily však nedokážu udržať elektrický prúd po dlhú dobu. Usmernený pohyb elektrických nábojov po určitom čase vedie k vyrovnaniu potenciálov na koncoch vodiča a následne k zániku elektrického poľa v ňom.

Na udržanie prúdu v elektrickom obvode musia na náboje okrem Coulombových síl pôsobiť aj sily neelektrickej povahy (vonkajšie sily).
Zariadenie, ktoré vytvára vonkajšie sily, udržiava potenciálny rozdiel v obvode a konvertuje rôzne druhy energie na elektrickú energiu sa nazýva zdroj prúdu.
Pre existenciu elektrického prúdu v uzavretom obvode je potrebné do neho zaradiť zdroj prúdu.
Hlavné charakteristiky

1. Intenzita prúdu - I, jednotka merania - 1 A (Ampér).
Intenzita prúdu je hodnota rovnajúca sa náboju pretekajúcemu prierezom vodiča za jednotku času.
I = Dq/Dt.

Vzorec platí pre jednosmerný prúd, pri ktorom sa sila prúdu a jeho smer s časom nemení. Ak sa sila prúdu a jeho smer menia s časom, potom sa takýto prúd nazýva premenlivý.
Pre AC:
I = limDq/Dt,
Dt - 0

tie. I = q", kde q" je derivácia náboja vzhľadom na čas.
2. Prúdová hustota - j, jednotka merania - 1 A/m2.
Prúdová hustota je hodnota rovnajúca sa sile prúdu pretekajúceho jedným prierezom vodiča:
j = I/S.

3. Elektromotorická sila zdroja prúdu - emf. (e), jednotkou je 1 V (Volt). E.m.f. je fyzikálna veličina rovnajúca sa práci vykonanej vonkajšími silami pri pohybe elektrickým obvodom s jedným kladným nábojom:
e \u003d Stred / q

4. Odpor vodiča - R, jednotka - 1 ohm.
Pri pôsobení elektrického poľa vo vákuu by sa voľné náboje pohybovali zrýchlenou rýchlosťou. V hmote sa pohybujú v priemere rovnomerne, pretože časť energie sa dáva časticiam hmoty pri zrážkach.

Teória tvrdí, že energia usporiadaného pohybu nábojov sa rozptýli deformáciami kryštálová mriežka. Na základe povahy elektrického odporu vyplýva, že
R \u003d r * l / S,

kde
l - dĺžka vodiča,
S - plocha prierezu,
r je faktor úmernosti, nazývaný odpor materiálu.
Tento vzorec je dobre potvrdený skúsenosťami.
Interakcia častíc vodiča s nábojmi pohybujúcimi sa v prúde závisí od chaotického pohybu častíc, t.j. na teplote vodiča. To je známe
r = r0(1 + a t),
R = R°(1 + at).

Koeficient a sa nazýva teplotný koeficient odporu:
a = (R - RO)/RO*t.

Pre chemicky čisté kovy a > 0 a rovná sa 1/273 K-1. Pre zliatiny sú teplotné koeficienty menej dôležité. Závislosť r(t) pre kovy je lineárna:

V roku 1911 bol objavený fenomén supravodivosti, ktorý spočíva v tom, že pri teplote blízkej absolútna nula, odpor niektorých kovov prudko klesne na nulu.

Pre niektoré látky (napríklad elektrolyty a polovodiče) sa rezistivita znižuje so zvyšujúcou sa teplotou, čo sa vysvetľuje zvýšením koncentrácie voľných nábojov.
Prevrátená hodnota merného odporu sa nazýva elektrická vodivosť s
s = 1/r

5. Napätie - U, jednotka merania - 1 V.
Napätie je fyzikálna veličina rovnajúca sa práci vykonanej vonkajšími a elektrickými silami pri pohybe jedného kladného náboja.

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

Pretože Ast./q = e a Ael./q = f1-f2, potom
U = e + (f1 - f2).

Nabíjanie v pohybe. Môže mať podobu náhleho výboja statickej elektriny, napríklad blesku. Alebo to môže byť riadený proces v generátoroch, batériách, solárnych alebo palivových článkoch. Dnes zvážime samotný pojem "elektrický prúd" a podmienky existencie elektrického prúdu.

Elektrická energia

Väčšina elektriny, ktorú používame, prichádza vo forme striedavého prúdu z elektrickej siete. Vytvárajú ho generátory, ktoré pracujú podľa Faradayovho zákona indukcie, vďaka čomu môže meniace sa magnetické pole indukovať vo vodiči elektrický prúd.

Generátory majú rotujúce cievky drôtu, ktoré pri rotácii prechádzajú cez magnetické polia. Keď sa cievky otáčajú, otvárajú a zatvárajú sa vzhľadom na magnetické pole a vytvárajú elektrický prúd, ktorý pri každom otočení mení smer. Prúd prechádza celým cyklom tam a späť 60-krát za sekundu.

Generátory môžu byť poháňané parnými turbínami vykurovanými uhlím, zemným plynom, ropou alebo jadrovým reaktorom. Z generátora prúd prechádza cez sériu transformátorov, kde sa zvyšuje jeho napätie. Priemer drôtov určuje množstvo a silu prúdu, ktoré môžu prenášať bez prehriatia a plytvania energiou a napätie je obmedzené len tým, ako dobre sú vedenia izolované od zeme.

Je zaujímavé poznamenať, že prúd je prenášaný iba jedným drôtom, nie dvoma. Jeho dve strany sú označené ako pozitívne a negatívne. Keďže sa však polarita striedavého prúdu mení 60-krát za sekundu, majú iné názvy - horúce (hlavné elektrické vedenia) a uzemnené (prechádzajúce pod zemou, aby sa okruh dokončil).

Prečo je potrebná elektrina?

Elektrina má mnoho spôsobov využitia: dokáže osvetliť váš dom, vyprať a vysušiť oblečenie, zdvihnúť garážové dvere, uvariť vodu v rýchlovarnej kanvici a napájať ďalšie domáce potreby, ktoré nám uľahčujú život. Čoraz dôležitejšia je však schopnosť prúdu prenášať informácie.

Keď je počítač pripojený k internetu, spotrebuje len malú časť elektrického prúdu, ale bez toho je to niečo moderný človek nereprezentuje jeho život.

Pojem elektrického prúdu

Podobne ako riečny prúd, prúd molekúl vody, aj elektrický prúd je prúd nabitých častíc. Čo to spôsobuje a prečo to nejde vždy tým istým smerom? Keď počujete slovo flow, čo sa vám vybaví? Možno to bude rieka. Je to dobrá asociácia, pretože to je dôvod, prečo elektrický prúd dostal svoje meno. Je to veľmi podobné prúdeniu vody, len namiesto toho, aby sa molekuly vody pohybovali pozdĺž kanála, nabité častice sa pohybujú pozdĺž vodiča.

Medzi podmienky potrebné na existenciu elektrického prúdu patrí položka, ktorá zabezpečuje prítomnosť elektrónov. Atómy vo vodivom materiáli majú veľa týchto voľných nabitých častíc, ktoré plávajú okolo a medzi atómami. Ich pohyb je náhodný, takže nedochádza k žiadnemu toku v žiadnom danom smere. Čo je potrebné na existenciu elektrického prúdu?

Medzi podmienky existencie elektrického prúdu patrí prítomnosť napätia. Keď sa aplikuje na vodič, všetky voľné elektróny sa budú pohybovať rovnakým smerom a vytvárajú prúd.

Zaujíma vás elektrický prúd

Je zaujímavé, že keď sa elektrická energia prenáša cez vodič rýchlosťou svetla, samotné elektróny sa pohybujú oveľa pomalšie. V skutočnosti, ak by ste pokojne kráčali vedľa vodivého drôtu, vaša rýchlosť by bola 100-krát vyššia ako rýchlosť elektrónov. Je to spôsobené tým, že nepotrebujú prekonávať obrovské vzdialenosti, aby si navzájom odovzdávali energiu.

Jednosmerný a striedavý prúd

Dve sú dnes široko používané. odlišné typy prúd - konštantný a premenlivý. V prvom sa elektróny pohybujú jedným smerom, z "negatívnej" strany na "pozitívnu". Striedavý prúd tlačí elektróny tam a späť a mení smer toku niekoľkokrát za sekundu.

Generátory používané v elektrárňach na výrobu elektriny sú určené na výrobu striedavého prúdu. Pravdepodobne ste si nikdy nevšimli, že svetlo vo vašom dome skutočne bliká, keď sa mení aktuálny smer, ale deje sa to príliš rýchlo, aby to oči rozpoznali.

Aké sú podmienky pre existenciu jednosmerného elektrického prúdu? Prečo potrebujeme oba typy a ktorý z nich je lepší? Toto sú dobré otázky. Skutočnosť, že stále používame oba typy prúdu, naznačuje, že oba slúžia na špecifické účely. Už v 19. storočí bolo jasné, že efektívny prenos energie na veľké vzdialenosti medzi elektrárňou a domom je možný len pri veľmi vysokom napätí. Ale problém bol v tom, že posielanie naozaj vysoké napätie bol pre ľudí mimoriadne nebezpečný.

Riešením tohto problému bolo znížiť stres mimo domova predtým, ako ho pošlete dovnútra. Dodnes sa jednosmerný elektrický prúd používa na prenos na veľké vzdialenosti, hlavne kvôli jeho schopnosti ľahko sa premeniť na iné napätia.

Ako funguje elektrický prúd

Medzi podmienky existencie elektrického prúdu patrí prítomnosť nabitých častíc, vodiča a napätia. Mnohí vedci študovali elektrinu a zistili, že existujú dva jej typy: statická a prúdová.

Je to druhý, ktorý hrá obrovskú úlohu v každodennom živote každého človeka, pretože ide o elektrický prúd, ktorý prechádza obvodom. Používame ho denne na napájanie našich domovov a ďalšie.

Čo je elektrický prúd?

Keď elektrické náboje cirkulujú v obvode z jedného miesta na druhé, vzniká elektrický prúd. Medzi podmienky existencie elektrického prúdu patrí okrem nabitých častíc aj prítomnosť vodiča. Najčastejšie ide o drôt. Jeho obvod je uzavretý obvod, v ktorom prúdi prúd zo zdroja energie. Keď je okruh otvorený, nemôže cestu dokončiť. Napríklad, keď je svetlo vo vašej izbe vypnuté, okruh je otvorený, ale keď je okruh zatvorený, svetlo svieti.

Aktuálny výkon

Podmienky existencie elektrického prúdu vo vodiči do značnej miery ovplyvňuje taká charakteristika napätia, ako je výkon. Toto je miera toho, koľko energie sa spotrebuje za dané časové obdobie.

Existuje mnoho rôznych jednotiek, ktoré možno použiť na vyjadrenie tejto charakteristiky. Elektrický výkon sa však takmer meria vo wattoch. Jeden watt sa rovná jednému joulu za sekundu.

Elektrický náboj v pohybe

Aké sú podmienky existencie elektrického prúdu? Môže mať podobu náhleho výboja statickej elektriny, ako je blesk alebo iskra z trenia o vlnenú handričku. Častejšie však, keď hovoríme o elektrickom prúde, máme na mysli viac kontrolovanú formu elektriny, vďaka ktorej fungujú svetlá a spotrebiče. Väčšinu elektrického náboja nesú negatívne elektróny a kladné protóny v atóme. Tí druhí sú však väčšinou imobilizovaní vo vnútri atómové jadrá, takže prácu na presune náboja z jedného miesta na druhé vykonávajú elektróny.

Elektróny vo vodivom materiáli, ako je kov, sa môžu do značnej miery voľne pohybovať z jedného atómu na druhý pozdĺž svojich vodivých pásov, čo sú vyššie dráhy elektrónov. Dostatočná elektromotorická sila alebo napätie vytvára nerovnováhu náboja, ktorá môže spôsobiť pohyb elektrónov cez vodič vo forme elektrického prúdu.

Ak nakreslíme analógiu s vodou, vezmite si napríklad potrubie. Keď otvoríme ventil na jednom konci, aby sa voda dostala do potrubia, nemusíme čakať, kým sa voda dostane až na koniec potrubia. Na druhom konci dostaneme vodu takmer okamžite, pretože prichádzajúca voda tlačí vodu, ktorá je už v potrubí. To sa deje v prípade elektrického prúdu v drôte.

Elektrický prúd: podmienky existencie elektrického prúdu

Elektrický prúd sa zvyčajne považuje za tok elektrónov. Keď sú dva konce batérie navzájom spojené kovovým drôtom, táto nabitá hmota prechádza drôtom z jedného konca (elektródy alebo pólu) batérie na opačný. Nazvime teda podmienky existencie elektrického prúdu:

1. nabité častice.
2. Dirigent.
3. Zdroj napätia.

Nie všetko je však také jednoduché. Aké podmienky sú potrebné na existenciu elektrického prúdu? Na túto otázku možno podrobnejšie odpovedať zvážením nasledujúcich charakteristík:

• Potenciálny rozdiel (napätie). Toto je jeden z predpokladov. Medzi týmito 2 bodmi musí byť potenciálny rozdiel, čo znamená, že odpudivá sila, ktorú vytvárajú nabité častice na jednom mieste, musí byť väčšia ako ich sila v inom bode. Zdroje napätia sa vo všeobecnosti v prírode nenachádzajú a elektróny sú distribuované v životné prostredie pomerne rovnomerne. Napriek tomu sa vedcom podarilo vynájsť určité typy zariadení, kde sa tieto nabité častice môžu hromadiť, čím sa vytvorí veľmi potrebné napätie (napríklad v batériách).
• Elektrický odpor (vodič). Toto je druhá dôležitá podmienka, ktorá je nevyhnutná pre existenciu elektrického prúdu. Toto je dráha, po ktorej sa pohybujú nabité častice. Ako vodiče pôsobia len tie materiály, ktoré umožňujú voľný pohyb elektrónov. Tí, ktorí túto schopnosť nemajú, sa nazývajú izolanty. Napríklad kovový drôt bude vynikajúcim vodičom, zatiaľ čo jeho gumený plášť bude vynikajúcim izolantom.

Po starostlivom preštudovaní podmienok pre vznik a existenciu elektrického prúdu dokázali ľudia skrotiť tento silný a nebezpečný prvok a nasmerovať ho v prospech ľudstva.

Pre výskyt a udržiavanie prúdu v akomkoľvek médiu musia byť splnené dve podmienky:

V rôznych médiách sú nosičmi elektrického prúdu rôzne nabité častice.

Elektrické pole v médiu je nevyhnutné vytvoriť riadený pohyb bezplatných poplatkov. Ako je známe, na jeden náboj q v elektrickom poli sily E sila pôsobí F= q* E, ktorý núti voľné náboje pohybovať sa v smere elektrického poľa. Znakom existencie elektrického poľa vo vodiči je prítomnosť nenulového rozdielu potenciálov medzi akýmikoľvek dvoma bodmi vodiča,

Elektrické sily však nedokážu udržať elektrický prúd po dlhú dobu. Usmernený pohyb elektrických nábojov po určitom čase vedie k vyrovnaniu potenciálov na koncoch vodiča a následne k zániku elektrického poľa v ňom.

Na udržanie prúdu v elektrickom obvode okrem Coulombových síl musia sily pôsobiť na nálože neelektrické príroda (vonkajšie sily).

Zariadenie, ktoré vytvára vonkajšie sily, udržiava potenciálny rozdiel v obvode a premieňa rôzne druhy energie na elektrickú energiu, sa nazýva zdroj prúdu.

Pre existenciu elektrického prúdu v uzavretom obvode je potrebné do neho zaradiť zdroj prúdu.

Hlavné charakteristiky

1. Prúdová sila - I, jednotka merania - 1 A (Ampér).

Intenzita prúdu je hodnota rovnajúca sa náboju pretekajúcemu prierezom vodiča za jednotku času.

Vzorec (1) platí pre priamy prúd, pri ktorých sa sila a smer prúdu časom nemení. Ak sa sila prúdu a jeho smer menia s časom, potom sa takýto prúd nazýva premenných.

Pre AC:

I \u003d NtDd / Dt, (*)

tie. \u003d q", kde q" je derivácia náboja vzhľadom na čas.

2. Prúdová hustota - j, jednotka merania - 1 A / m2.

Prúdová hustota je hodnota rovnajúca sa sile prúdu pretekajúceho jedným prierezom vodiča:

3. Elektromotorická sila zdroja prúdu - emf. (e), jednotkou je 1 V (Volt). E.m.f. je fyzikálna veličina rovnajúca sa práci vykonanej vonkajšími silami pri pohybe elektrickým obvodom s jedným kladným nábojom:

e = priateľ. / g. (3)

4. Odpor vodiča - R, jednotka merania - 1 Ohm.

Pri pôsobení elektrického poľa vo vákuu by sa voľné náboje pohybovali zrýchlenou rýchlosťou. V hmote sa pohybujú v priemere rovnomerne, pretože časť energie sa dáva časticiam hmoty pri zrážkach.

Teória tvrdí, že energia usporiadaného pohybu nábojov je rozptýlená deformáciami kryštálovej mriežky. Na základe povahy elektrického odporu vyplýva, že

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

l - dĺžka vodiča,

S - plocha prierezu,

r je faktor úmernosti, nazývaný odpor materiálu.

Tento vzorec je dobre potvrdený skúsenosťami.

Interakcia častíc vodiča s nábojmi pohybujúcimi sa v prúde závisí od chaotického pohybu častíc, t.j. na teplote vodiča. To je známe

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

R \u003d R0 (1 + m).

Koeficient a sa nazýva teplotný koeficient odporu:

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

Pre chemicky čisté kovy a > 0 a rovná sa 1/273 K-1. Pre zliatiny sú teplotné koeficienty menej dôležité. Závislosť r(t) pre kovy je lineárna:

V roku 1911 bol objavený fenomén supravodivosť, ktorá spočíva v tom, že pri teplote blízkej absolútnej nule odpor niektorých kovov prudko klesne na nulu.

Pre niektoré látky (napríklad elektrolyty a polovodiče) sa rezistivita znižuje so zvyšujúcou sa teplotou, čo sa vysvetľuje zvýšením koncentrácie voľných nábojov.

Prevrátená hodnota odporu sa nazýva elektrická vodivosť s

c = 1/g (7)

5. Napätie - U, jednotka - 1 V.

Napätie je fyzikálna veličina rovnajúca sa práci vykonanej vonkajšími a elektrickými silami pri pohybe jedného kladného náboja.

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

Pretože Ast./q = e a Ael./q = f1-f2, potom

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

2.7.2 Základy elektrickej bezpečnosti

Počas prevádzky a opravy elektrických zariadení a sietí sa môže osoba nachádzať v oblasti elektrického poľa alebo v priamom kontakte s elektrickými vodičmi pod napätím. V dôsledku prechodu prúdu cez človeka môže dôjsť k porušeniu jeho životných funkcií.

Nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom sa zvyšuje tým, že po prvé, prúd nemá žiadne vonkajšie znaky a osoba bez špeciálnych zariadení spravidla nemôže vopred zistiť nebezpečenstvo, ktoré mu hrozí; po druhé, vplyv prúdu na človeka vo väčšine prípadov vedie k vážnym porušeniam najdôležitejších životne dôležitých systémov, ako je centrálny nervový, kardiovaskulárny a respiračný, čo zvyšuje závažnosť lézie; po tretie, striedavý prúd môže spôsobiť intenzívne svalové kŕče, čo vedie k neuvoľňovaciemu účinku, pri ktorom sa človek nemôže nezávisle oslobodiť od účinkov prúdu; po štvrté, náraz prúdu spôsobuje u človeka prudkú abstinenčnú reakciu a v niektorých prípadoch stratu vedomia, ktorá môže pri práci vo výškach viesť k zraneniu následkom pádu.

Elektrický prúd prechádzajúci ľudským telom môže mať biologické, tepelné, mechanické a chemické účinky. Biologický účinok je schopnosť elektrického prúdu dráždiť a vzrušovať živé tkanivá tela, tepelný účinok je schopnosť spôsobiť telesné popáleniny, mechanický účinok má viesť k prasknutiu tkaniva a chemický účinok je elektrolýza krvi. .

Vplyv elektrického prúdu na ľudské telo môže spôsobiť úraz elektrickým prúdom. Úraz elektrickým prúdom je úraz spôsobený vystavením elektrickému prúdu alebo elektrickému oblúku. Úrazy elektrickým prúdom sa zvyčajne delia na lokálne a všeobecné. Pri lokálnych úrazoch elektrickým prúdom dochádza k lokálnemu poškodeniu tela, ktoré sa prejavuje elektrickými popáleninami,

elektrické príznaky, metalizácia kože, mechanické poškodenie a elektroftalmia (zápal vonkajších očných membrán). Všeobecné úrazy elektrickým prúdom alebo úrazy elektrickým prúdom vedú k poškodeniu celého organizmu, čo sa prejavuje porušením alebo úplným zastavením činnosti najdôležitejších orgánov a systémov - pľúc (dýchanie), srdca (cirkulácia).

Elektrický šok je excitácia živých tkanív tela elektrickým prúdom, ktorý ním prechádza, sprevádzaný prudkými kŕčovitými kontrakciami svalov vrátane srdcového svalu, ktoré môžu viesť k zástave srdca.

Lokálne elektrické poškodenie sa týka poškodenia kože a svalového tkaniva a niekedy aj väzov a kostí. Patria sem elektrické popáleniny, elektrické znaky, metalizácia kože, mechanické poškodenie.

Elektrické popáleniny - najčastejšie elektrické poranenie, vzniká v dôsledku lokálneho účinku prúdu na tkanivá. Existujú dva typy popálenín - kontaktné a oblúkové.

Kontaktné popálenie je dôsledkom premeny elektrickej energie na tepelnú energiu a vyskytuje sa najmä v elektrických inštaláciách s napätím do 1 000 V.

Popálenie elektrickým prúdom je akoby núdzový systém, ochrana tela, keďže zuhoľnatené tkanivá pre väčšiu odolnosť ako obyčajná koža neumožňujú elektrine preniknúť hlboko, do životne dôležitých systémov a orgánov. Inými slovami, v dôsledku popálenia sa prúd zastaví.

Keď sú telo a zdroj napätia vo voľnom kontakte, v miestach vstupu a výstupu prúdu sa tvoria popáleniny. Ak prúd prechádza telom niekoľkokrát rôznymi spôsobmi, dochádza k viacnásobným popáleninám.

Viacnásobné popáleniny sa najčastejšie vyskytujú pri napätí do 380 V kvôli tomu, že takéto napätie človeka „magnetizuje“ a odpojenie si vyžaduje čas. Vysokonapäťový prúd nemá takú „lepivosť“.

Naopak, človeka to odhodí, no na vážne hlboké popáleniny stačí takýto krátky kontakt. Pri napätí nad 1 000 V dochádza k úrazu elektrickým prúdom s rozsiahlymi hlbokými popáleninami, pretože v tomto prípade teplota stúpa pozdĺž celej dráhy prúdu.

Na posúdenie nebezpečenstva vystavenia osoby elektrickému prúdu sa prejavujú tri kvalitatívne odlišné reakcie. Ide predovšetkým o pocit, kŕčovitejšie sťahovanie svalov (neuvoľnenie pre striedavý prúd a trvalý efekt bolesti) a napokon o štiepenie srdca. Elektrické prúdy, ktoré spôsobujú primeranú reakciu, sa delia na hmatateľné, neuvoľňujúce sa a fibrilačné.

Ako sa prúd zvyšuje, tri kvalitatívne odlišné

odozvy. Ide predovšetkým o pocit, kŕčovitejšie sťahovanie

svalov (neuvoľnenie pre striedavý prúd a bolestivý efekt trvalý) a napokon fisrilácia srdca. Elektrické prúdy, ktoré spôsobujú primeranú reakciu, sa delia na hmatateľné, neuvoľňujúce sa a fibrilačné.

Aby sa zaistila elektrická bezpečnosť, postupujte takto technické spôsoby a prostriedky (často vo vzájomnej kombinácii): ochranné uzemnenie; nulovanie; ochranné vypnutie; vyrovnanie potenciálu; nízke napätie; elektrické oddelenie siete; izolácia častí pod prúdom; ochranné zariadenia; výstražná signalizácia, blokovanie, bezpečnostné značky; elektrické ochranné prostriedky, bezpečnostné zariadenia a pod.

Ochranná zem- úmyselné elektrické spojenie so zemou alebo ekvivalentom kovových častí bez prúdu, ktoré môžu byť pod napätím v dôsledku poškodenia izolácie (GOST 12.1.009-76). Ochranné uzemnenie sa používa v sieťach s napätím do 1000 V s izolovaným neutrálom a v sieťach s napätím nad 1000 V, s izolovaným aj uzemneným neutrálom.

Bezpečnostné vypnutie- ide o vysokorýchlostnú ochranu, ktorá zaisťuje automatické vypnutie elektrickej inštalácie (nie viac ako 0,2 s) v prípade jej poškodenia, vrátane porušenia izolácie na skrini zariadenia.

Potenciálne vyrovnanie- spôsob znižovania dotykového a krokového napätia medzi bodmi elektrického obvodu, ktorých sa možno súčasne dotýkať alebo na ktorých môže človek súčasne stáť.

Nízke napätie- menovité napätie nie vyššie ako 42 V, používané na zníženie rizika úrazu elektrickým prúdom.

Elektrické oddelenie siete- rozdelenie siete na samostatné, elektricky neprepojené úseky pomocou oddeľovania

transformátor. Ak je vysoko rozvetvená elektrická sieť s

veľká kapacita a nízky izolačný odpor, rozdelené do množstva malých sietí rovnakého napätia, potom budú mať zanedbateľnú kapacitu a vysoký izolačný odpor. Riziko úrazu elektrickým prúdom sa tak výrazne zníži.

Izolácia v elektrických inštaláciách slúži na ochranu pred náhodným dotykom živých častí. Existujú pracovné, dodatočné, dvojité a zosilnené elektrické izolácie.

Ochranné zariadenia sa používajú na zabránenie dotyku alebo nebezpečného priblíženia sa k živým častiam.

Zámkyširoko používané v elektrických inštaláciách. Sú mechanické, elektrické, elektromagnetické atď. Blokovacie prvky poskytujú úľavu od napätia od častí pod prúdom, keď sa k nim pokúšate dostať pri otváraní plota bez odstránenia napätia.

Usmernený (usporiadaný) pohyb voľných nabitých častíc pôsobením elektrického poľa sa nazýva elektrický prúd.

Podmienky existencie prúdu:

1. Prítomnosť bezplatných poplatkov.

2. Prítomnosť elektrického poľa, t.j. potenciálne rozdiely. Vo vodičoch sú prítomné bezplatné poplatky. Elektrické pole je vytvárané zdrojmi prúdu.

Keď prúd prechádza vodičom, robí nasledovné:

Tepelné (ohrievanie vodiča prúdom). Napríklad: prevádzka rýchlovarnej kanvice, žehličky atď.).

· Magnetický (vzhľad magnetického poľa okolo vodiča s prúdom). Napríklad: prevádzka elektromotora, elektrické meracie prístroje).

Chemické ( chemické reakcie pri prechode prúdu cez niektoré látky). Napríklad: elektrolýza.

Môžete tiež hovoriť o

Svetlo (sprevádza tepelné pôsobenie). Napríklad: žiara vlákna elektrickej žiarovky.

Mechanické (sprevádza magnetické alebo tepelné). Napríklad: deformácia vodiča pri zahrievaní, rotácia rámu prúdom v magnetickom poli).

Biologické (fyziologické). Napríklad: zásah elektrickým prúdom do človeka, využitie pôsobenia prúdu v medicíne.

Hlavné veličiny, ktoré opisujú proces prechodu prúdu cez vodič.

1. Prúd I - skalárne, ktorý sa rovná pomeru náboja, ktorý prešiel prierezom vodiča, časového intervalu, počas ktorého prúd pretekal. Intenzita prúdu ukazuje, koľko náboja prejde prierezom vodiča za jednotku času. Prúd je tzv trvalé ak sa prúd nemení s časom. Aby bol prúd vodičom konštantný, je potrebné, aby potenciálny rozdiel na koncoch vodiča bol konštantný.

2. Napätie U. Napätie sa numericky rovná práci elektrického poľa pri pohybe jediného kladného náboja pozdĺž siločiar vo vnútri vodiča.

3. Elektrický odpor R- fyzikálna veličina číselne rovnajúca sa pomeru napätia (potenciálneho rozdielu) na koncoch vodiča k sile prúdu prechádzajúceho vodičom.

60. Ohmov zákon pre časť reťaze.

Intenzita prúdu v časti obvodu je priamo úmerná napätiu na koncoch tohto vodiča a nepriamo úmerná jeho odporu:

I=U/R;

Ohm zistil, že odpor je priamo úmerný dĺžke vodiča a nepriamo úmerný jeho prierezovej ploche a závisí od podstaty vodiča.

kde ρ je rezistivita, l je dĺžka vodiča, S je plocha prierezu vodiča.

61. Odpor ako elektrická charakteristika rezistora. Závislosť odporu kovových vodičov od druhu materiálu a geometrických rozmerov.

Elektrický odpor- fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje vlastnosti vodiča na zabránenie prechodu elektrického prúdu a rovná sa pomeru napätia na koncoch vodiča k sile prúdu, ktorý ním prechádza. Odpor pre striedavé obvody a pre striedavé elektromagnetické polia je opísaný z hľadiska impedancie a vlnového odporu.

Odolnosť (často označovaná písmenom R alebo r) sa v rámci určitých limitov považuje za konštantná hodnota pre tento vodič; dá sa to vypočítať ako

kde R je odpor; U je rozdiel v elektrických potenciáloch na koncoch vodiča; I je sila prúdu tečúceho medzi koncami vodiča pri pôsobení rozdielu potenciálov.

Odpor vodiča je rovnaká charakteristika vodiča ako jeho hmotnosť. Odpor vodiča nezávisí od sily prúdu vo vodiči, ani od napätia na jeho koncoch, ale závisí len od druhu látky, z ktorej je vodič vyrobený, a od jeho geometrických rozmerov: , kde: l je dĺžka vodiča, S je plocha prierezu vodiča, ρ je špecifický odpor vodiča, ktorý ukazuje, aký odpor má vodič dlhý 1 m a prierez 1 m 2 z tohto materiálu bude mať.

Vodiče, ktoré dodržiavajú Ohmov zákon, sa nazývajú lineárne. Existuje mnoho materiálov a zariadení, ktoré nespĺňajú Ohmov zákon, ako napríklad polovodičová dióda alebo plynová výbojka. Dokonca aj pre kovové vodiče pri dostatočne vysokých prúdoch sa pozoruje odchýlka od Ohmovho lineárneho zákona, pretože elektrický odpor kovových vodičov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.

Závislosť odporu vodiča od teploty vyjadruje vzorec: , kde: R - odpor vodiča pri teplote T, R 0 - odpor vodiča pri teplote 0ºС, α - teplotný koeficient odpor.