Для постійного електричного струму необхідна наявність вільних заряджених частинок і наявність джерела струму. в якому здійснюється перетворення будь-якого виду енергії на енергію електричного поля.

Джерело струму - пристрій, у якому здійснюється перетворення будь-якого виду енергії на енергію електричного поля. У джерелі струму на заряджені частинки замкнутої ланцюга діють сторонні сили. Причини виникнення сторонніх сил різних джерел струму різні. Наприклад, в акумуляторах і гальванічних елементах сторонні сили виникають завдяки протіканню хімічних реакцій, в генераторах електростанцій вони виникають при русі провідника в магнітному полі, у фотоелементах - при дії світла на електрони в металах і напівпровідниках.

Електрорушійною силою джерела струму називають відношення роботи сторонніх сил до величини позитивного заряду, який переноситься від негативного полюса джерела струму до позитивного.

Основні поняття.

Сила струму - скалярна фізична величина, Рівна відношенню заряду, що пройшов через провідник, до часу, за який цей заряд пройшов.

де I - сила струму, q - величина заряду (кількість електрики), t - Час проходження заряду.

Щільність струму - Векторна фізична величина, що дорівнює відношенню сили струму до площі поперечного перерізу провідника.

де j -щільність струму, S - площу перерізу провідника.

Напрямок вектора густини струму збігається з напрямком руху позитивно заряджених частинок.

Напруга - скалярна фізична величина, що дорівнює відношенню до повної роботи кулонівських і сторонніх сил при переміщенні позитивного заряду на ділянці до значення цього заряду.

де A - повна робота сторонніх та кулонівських сил, q - електричний заряд.

Електричний опір - фізична величина, що характеризує електричні властивості ділянки ланцюга.

де ρ - питомий опір провідника, l - довжина ділянки провідника, S - площу поперечного перерізу провідника.

Провідністю називається величина, зворотна опору

де G - провідність.

Закони Ома.

Закон Ома для однорідної ділянки ланцюга.

Сила струму в однорідній ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі при постійному опорі ділянки і обернено пропорційна опору ділянки при постійному напрузі.

де U - напруга на ділянці, R - Опір ділянки.

Закон Ома для довільної ділянки ланцюга, що містить джерело постійного струму.

де φ 1 - φ 2 + ε = U напруга на заданій ділянці ланцюга,R - Електричний опір заданої ділянки ланцюга.

Закон Ома для повного кола.

Сила струму в повному ланцюзі дорівнює відношенню електрорушійної сили джерела до суми опорів зовнішньої та внутрішньої ділянки ланцюга.

де R - електричний опір зовнішньої ділянки ланцюга, r - Електричний опір внутрішньої ділянки ланцюга.

Коротке замикання.

З закону Ома для повного ланцюга випливає, що сила струму в ланцюгу із заданим джерелом струму залежить тільки від опору зовнішнього ланцюга R.

Якщо до полюсів джерела струму приєднати провідник із опором R<< r, то тоді тільки ЕРС джерела струму та його опір визначатимуть значення сили струму в ланцюзі. Таке значення сили струму буде граничним для джерела струму і називається струмом короткого замикання.

Електрорушійна сила.Будь-яке джерело струму характеризується електрорушійною силою, або, скорочено, ЕРС. Так, на круглій батарейці для кишенькового ліхтарика написано: 1,5 В. Що це означає? З'єднайте провідником дві металеві кульки, що несуть заряди протилежних знаків. Під впливом електричного поля цих зарядів у провіднику виникає електричний струм ( рис.15.7). Але цей струм буде дуже короткочасним. Заряди швидко нейтралізують один одного, потенціали кульок стануть однаковими, та електричне поле зникне.

Сторонні сили.Для того, щоб струм був постійним, треба підтримувати постійну напругу між кульками. Для цього необхідний пристрій ( джерело струму), яке переміщало б заряди від однієї кульки до іншої в напрямку, протилежному до напряму сил, що діють на ці заряди з боку електричного поля кульок. У такому пристрої на заряди, крім електричних сил, повинні діяти сили неелектростатичного походження ( рис.15.8). Одне лише електричне поле заряджених частинок ( кулонівське поле) не здатне підтримувати постійний струм у ланцюзі.

Будь-які сили, що діють на електрично заряджені частинки, за винятком сил електростатичного походження (тобто кулонівських), називають сторонніми силами.Висновок про необхідність сторонніх сил для підтримки постійного струму в ланцюзі стане ще очевиднішим, якщо звернутися до закону збереження енергії. Електричне поле потенційно. Робота цього поля при переміщенні в ньому заряджених частинок уздовж замкненого електричного кола дорівнює нулю. Проходження ж струму провідниками супроводжується виділенням енергії - провідник нагрівається. Отже, в ланцюзі має бути якесь джерело енергії, яке постачає її в ланцюг. У ньому, окрім кулонівських сил, обов'язково мають діяти сторонні, непотенційні сили. Робота цих сил уздовж замкнутого контуру має бути відмінна від нуля. Саме в процесі виконання роботи цими силами заряджені частинки набувають усередині джерела струму енергію і віддають її потім провідникам електричного ланцюга. Сторонні сили надають руху заряджені частинки всередині всіх джерел струму: в генераторах на електростанціях, в гальванічних елементах, акумуляторах і т. д. При замиканні ланцюга створюється електричне поле у ​​всіх провідниках ланцюга. Усередині джерела струму заряди рухаються під дією сторонніх сил проти кулонівських сил(Електрони від позитивно зарядженого електрода до негативного), а в зовнішньому ланцюгу їх приводить в рух електричне поле (див. рис.15.8). Природа сторонніх сил.Природа сторонніх сил може бути різноманітною. У генераторах електростанцій сторонні сили - це сили, що діють із боку магнітного поляна електрони в провіднику, що рухається. У гальванічному елементі, наприклад, елементі Вольта, діють хімічні сили. Елемент Вольта складається з цинкового та мідного електродів, поміщених у розчин сірчаної кислоти. Хімічні сили викликають розчинення цинку у кислоті. У розчин переходять позитивно заряджені іони цинку, а сам цинковий електрод у своїй заряджається негативно. (Мідь дуже мало розчиняється в сірчаній кислоті.) Між цинковим і мідним електродами з'являється різниця потенціалів, яка і обумовлює струм у замкнутому електричному ланцюзі. Електрорушійна сила.Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною величиною, яка називається електрорушійною силою(скорочено ЕРС). Електрорушійна сила джерела струму дорівнює відношенню роботи сторонніх сил при переміщенні заряду по замкнутому контуру до величини цього заряду:

Електрорушійну силу, як і напруга, виражають у вольтах. Можна говорити також про електрорушійну силу і на будь-якій ділянці ланцюга. Це питома робота сторонніх сил (робота з переміщення одиничного заряду) над всьому контурі, лише на даному ділянці. Електрорушійна сила гальванічного елементає величина, чисельно рівна роботі сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду всередині елемента від одного полюса до іншого. Робота сторонніх сил може бути виражена через різницю потенціалів, оскільки сторонні сили непотенційні та його робота залежить від форми траєкторії переміщення зарядів. Так, наприклад, робота сторонніх сил при переміщенні заряду між клемами джерела струму поза джерелом дорівнює нулю. Тепер ви знаєте, що таке ЕРС. Якщо на батарейці написано 1,5 В, це означає, що сторонні сили (хімічні в даному випадку) виконують роботу 1,5 Дж при переміщенні заряду в 1 Кл від одного полюса батарейки до іншого. Постійний струм не може існувати в замкнутому ланцюзі, якщо в ньому не діють сторонні сили, тобто немає ЕРС.

ПАРАЛЕЛЬНЕ І НАСЛІДНЕ З'ЄДНАННЯ ПРОВІДНИКІВ

Включимо в електричний ланцюг як нагузки (споживачів струму) дві лампи розжарювання, кожна з яких має певний опір, і кожну з яких можна замінити провідником з таким же опором.

НАСЛІДНЕ З'ЄДНАННЯ

Розрахунок параметрів електричного кола при послідовному з'єднанні опорів:

1. сила струму у всіх послідовно з'єднаних ділянках ланцюга однакова 2. напруга в ланцюгу, що складається з декількох послідовно з'єднаних ділянок, дорівнює сумі напруг на кожній ділянці 3. опір ланцюга, що складається з декількох послідовно з'єднаних ділянок, дорівнює сумі опорів кожної ділянки

4. робота електричного струму в ланцюгу, що складається з послідовно з'єднаних ділянок, дорівнює сумі робіт на окремих ділянках

А = А1 + А2 5. потужність електричного струму в ланцюгу, що складається з послідовно з'єднаних ділянок, дорівнює сумі потужностей на окремих ділянках

ПАРАЛЕЛЬНЕ З'ЄДНАННЯ

Розрахунок параметрів електричного ланцюга при паралельному з'єднанні опорів:

1. сила струму в нерозгалуженій ділянці ланцюга дорівнює сумі сил струмів у всіх паралельно з'єднаних ділянках

3. при паралельному з'єднанні опорів складаються величини, обернені опору:

(R – опір провідника, 1/R – електрична провідність провідника)

Якщо в ланцюг включені паралельно лише два опори, т про:

(при паралельному з'єднанні загальний опір ланцюга менше меншого з включених опорів)

4. робота електричного струму в ланцюзі, що складається з паралельно з'єднаних ділянок, дорівнює сумі робіт на окремих ділянках: A=A1+A2 5. потужність електричного струму в ланцюгу, що складається з паралельно з'єднаних ділянок, дорівнює сумі потужностей на окремих ділянках: P=P1+P2

Для двох опорів: тобто. що більше опір, то менше в ньому сила струму.

Закон Джоуля-Ленца - фізичний закон, який дозволяє визначити тепловий вплив струму в ланцюгу, за цим законом: , де I - сила струму в ланцюзі, R - опір, t - час. Ця формула була вичленована шляхом створення ланцюга: гальванічний елемент (батарейка), резистор та амперметр. Резистор занурювали в рідину, яку вставляли термометр і міряли темпіратуру. Ось так вони і вивели свій закон і назавжди себе вдрукували в історію, але навіть без їхніх дослідів можна було вивести цей закон:

U=A/q ​​A=U*q=U*I*t=I^2*R*t але навіть не дивлячись на це честь та хвала цим людям.

Закон Джоуля Ленца визначає виділену кількість тепла на ділянці електричного ланцюга, що володіє кінцевим опором при проходженні струму через нього. Обов'язковою умовою є той факт, що на цій ділянці ланцюга повинні бути відсутні хімічні перетворення.

РОБОТА ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

p align="justify"> Робота електричного струму показує, яка робота була виконана електричним полем при переміщенні зарядів по провіднику.

Знаючи дві формули: I = q/t ..... і ..... U = A/q можна вивести формулу для розрахунку роботи електричного струму: Робота електричного струму дорівнює добутку сили струму на напругу та на час перебігу струму в ланцюзі.

Одиниця виміру роботи електричного струму в системі СІ: [A] = 1 Дж = 1A. B. c

НАВЧИСЯ, ПРИГОДИТЬСЯ!При розрахунках роботи електричного струму часто застосовується позасистемна одиниця кратна одиниця роботи електричного струму: 1 кВт.год (кіловатт-година).

1 кВт.год = ...........Вт.с = 3600000 Дж

У кожній квартирі для обліку витраченої електроенергії встановлюються спеціальні прилади-лічильники електроенергії, які показують роботу електричного струму, здійснену за якийсь час при включенні різних побутових електроприладів. Ці лічильники показують роботу електричного струму (витрата електроенергії) "кВт.ч".

Необхідно навчитися розраховувати вартість витраченої електроенергії! Уважно розуміємося на розв'язанні задачі на сторінці 122 підручника (параграф 52) !

ПОТУЖНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

Потужність електричного струму показує роботу струму, досконалу в одиницю часу і дорівнює відношенню досконалої роботи до часу, протягом якого ця робота була виконана.

(Потужність у механіці прийнято позначати буквою N, в електротехніці - буквою Р) так як А = IUt, то потужність електричного струму дорівнює:

або

Одиниця потужності електричного струму в системі СІ:

[P] = 1 Вт (ват) = 1 А. B

Закони Кірхгофа – правила, які показують, як співвідносяться струми та напруги в електричних ланцюгах.Ці правила були сформульовані Густавом Кірхгофом у 1845 році. У літературі часто називають законами Кірхгофа, але це не так, оскільки вони не є законами природи, а були виведені з третього рівняння Максвелла при постійному магнітному полі. Але все ж таки, перша звична для них назва, тому і ми будемо їх називати, як це прийнято в літературі – закони Кірхгофа.

Перший закон Кірхгофа – сума струмів, що сходяться у вузлі, дорівнює нулю.

Давайте розумітися. Вузол це точка, що з'єднує гілки. Гілкою називається ділянка ланцюга між вузлами. На малюнку видно, що струм i входить у вузол, та якщо з вузла виходять струми i 1 і i 2 . Складаємо вираз за першим законом Кірхгофа, враховуючи, що струми, що входять у вузол мають знак плюс, а струми, що виходять з вузла, мають знак мінус i-i 1 -i 2 =0. Струм i як би розтікається на два менші струми і дорівнює сумі струмів i 1 і i 2 i = i 1 +i 2 . Але якби, наприклад, струм i 2 входив у вузол, тоді струм I визначався як i=i 1 -i 2 . Важливо враховувати знаки при складанні рівняння.

Перший закон Кірхгофа це наслідок закону збереження електрики: заряд, що приходить до вузла за деякий проміжок часу, дорівнює заряду, що йде за цей інтервал часу від вузла, тобто. електричний заряд у вузлі не накопичується та не зникає.

Другий закон Кірхгофа – алгебраїчна сума ЕРС, що діє в замкнутому контурі, дорівнює сумі алгебри падінь напруги в цьому контурі.

Напруга виражена як добуток струму на опір (за законом Ома).

У цьому законі також існують свої правила щодо застосування. Для початку потрібно задати стрілкою напрямок обходу контуру. Потім підсумувати ЕРС напруги відповідно, беручи зі знаком плюс, якщо величина збігається з напрямом обходу і мінус, якщо не збігається. Складемо рівняння за другим законом Кірхгофа для нашої схеми. Дивимося на нашу стрілку, E 2 і Е 3 збігаються з нею за напрямком, значить знак плюс, а Е 1 спрямоване у протилежний бік, означає знак мінус. Тепер дивимося на напруги, струм I 1 збігається у напрямку зі стрілкою, а струми I 2 і 3 направлені протилежно. Отже:

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

На підставі законів Кірхгофа складено методи аналізу ланцюгів змінного синусоїдального струму. Метод контурних струмів – метод заснований на застосуванні другого закону Кірхгофа та метод вузлових потенціалів, заснований на застосуванні першого закону Кірхгофа.

Електричний струм- упорядкований за напрямом рух електричних зарядів. За напрямок струму приймається напрямок руху позитивних зарядів.

Проходження струму провідником супроводжується такими його діями:

* магнітним (спостерігається у всіх провідниках)
* тепловим (спостерігається у всіх провідниках, крім надпровідників)
* Хімічний (спостерігається в електролітах).

Для виникнення та підтримки струму у будь-якому середовищі необхідне виконання двох умов:

* наявність у середовищі вільних електричних зарядів
* створення серед електричного поля.

Електричне поле у ​​середовищі необхідне створення спрямованого руху вільних зарядів. Як відомо, на заряд q в електричному полі напруженістю E діє сила F = q* E, яка змушує вільні заряди рухатися у напрямку електричного поля. Ознакою існування у провіднику електричного поля є наявність не рівної нулюрізниці потенціалів між будь-якими двома точками провідника,
Однак, електричні сили не можуть тривалий час підтримувати електричний струм. Спрямований рух електричних зарядів через деякий час призводить до вирівнювання потенціалів на кінцях провідника і, отже, зникнення в ньому електричного поля.

Для підтримки струму в електричному ланцюзі на заряди крім кулонівських сил повинні діяти сили неелектричної природи (сторонні сили).
Пристрій, що створює сторонні сили, що підтримує різницю потенціалів у ланцюзі та перетворює різні видиенергії в електричну енергію називається джерелом струму.
Для існування електричного струму в замкнутому ланцюзі необхідно включення до неї джерела струму.
Основні характеристики

1. Сила струму – I, одиниця виміру – 1 А (Ампер).
Силою струму називається величина, що дорівнює заряду, що протікає через поперечний переріз провідника за одиницю часу.
I = Dq/Dt.

Формула справедлива для постійного струму, при якому сила струму та його напрямок не змінюються з часом. Якщо сила струму та його напрямок змінюються з часом, то такий струм називається змінним.
Для змінного струму:
I = lim Dq/Dt ,
Dt - 0

тобто. I = q", де q" - похідна від заряду за часом.
2. Щільність струму – j, одиниця виміру – 1 А/м2.
Щільністю струму називається величина, що дорівнює силі струму, що протікає через одиничний поперечний переріз провідника:
j = I/S.

3. Електрорушійна сила джерела струму - е.р.с. (e), одиниця виміру - 1 В (Вольт). Е.д.с.- фізична величина, що дорівнює роботі, що здійснюється сторонніми силами при переміщенні по електричному ланцюзі одиничного позитивного заряду:
e = Аст./q.

4. Опір провідника – R, одиниця виміру – 1 Ом.
Під впливом електричного поля у вакуумі вільні заряди рухалися б прискорено. У речовині вони рухаються у середньому поступово, т.к. частину енергії віддають часткам речовини під час зіткнень.

Теорія стверджує, що енергія впорядкованого руху набоїв розсіюється на спотвореннях кристалічних ґрат. Виходячи з природи електричного опору, випливає, що
R = r*l/S ,

де
l - довжина провідника,
S - площа поперечного перерізу,
r - коефіцієнт пропорційності, названий питомим опором матеріалу.
Ця формула добре підтверджується досвідом.
Взаємодія частинок провідника з зарядами, що рухаються в струмі, залежить від хаотичного руху частинок, тобто. від температури провідника. Відомо що
r = r0(1 + a t) ,
R = R0(1 + a t).

Коефіцієнт a називається температурним коефіцієнтом опору:
a = (R - R0) / R0 * t.

Для хімічно чистих металів a > 0 і 1/273 К-1. Для сплавів температурні коефіцієнти мають менше значення. Залежність r(t) для металів лінійна:

У 1911 році відкрито явище надпровідності, що полягає в тому, що при температурі, близькій до абсолютному нулю, опір деяких металів падає стрибком до нуля

У деяких речовин (наприклад, електролітів і напівпровідників) питомий опір зі зростанням температури зменшується, що пояснюється зростанням концентрації вільних зарядів.
Величина, обернена питомим опором, називається питомою електричною провідністю s
s = 1/r.

5. Напруга - U, одиниця виміру - 1 В.
Напруга - фізична величина, що дорівнює роботі, що здійснюється сторонніми та електричними силами при переміщенні одиничного позитивного заряду.

U = (Aст. + Аел.) / Q.

Оскільки Аст./q = e, а Аэл./q = f1-f2, то
U = e + (f1 - f2).

Заряд у русі. Він може набувати форми раптового розряду статичної електрики, такого як, наприклад, блискавка. Або це може бути контрольований процес у генераторах, батареях, сонячних або паливних елементах. Сьогодні ми розглянемо саме поняття "електричний струм" та умови існування електричного струму.

Електрична енергія

Більшість електроенергії, яку ми використовуємо, надходить у вигляді змінного струму з електричної мережі. Він створюється генераторами, що працюють за законом індукції Фарадея, завдяки якому магнітне поле, що змінюється, може індукувати електричний струм у провіднику.

Генератори мають котушки проводи, що обертаються, які проходять через магнітні поля в міру їх обертання. Коли обертаються котушки, вони відкриваються і закриваються щодо магнітного поля і створюють електричний струм, що змінює напрямок на кожному повороті. Струм проходить через повний цикл вперед і назад 60 разів на секунду.

Генератори можуть харчуватися від парових турбін, нагрітих вугіллям, природним газом, нафтою чи ядерним реактором. З генератора струм проходить через ряд трансформаторів, де зростає його напруга. Діаметр проводів визначає величину та силу струму, яку вони можуть переносити без перегріву та втрати енергії, а напруга обмежена лише тим, наскільки добре лінії ізольовані від землі.

Цікаво відзначити, що струм переноситься лише одним дротом, а не двома. Дві його сторони позначаються як позитивна та негативна. Однак, оскільки полярність змінного струму змінюється 60 разів на секунду, вони мають інші назви - гарячі (магістральні лінії електропередач) і заземлені (що проходять під землею для замикання ланцюга).

Навіщо потрібний електричний струм?

Існує маса можливостей застосування електроструму: він може висвітлити ваш будинок, вимити і висушити одяг, підняти двері вашого гаража, змусити скипіти воду в чайнику та дати можливість працювати іншим побутовим предметам, які значно полегшують нам життя. Проте дедалі важливішим стає здатність струму передавати інформацію.

При підключенні до Інтернету комп'ютером використовується лише невелика частина електричного струму, але це те, без чого сучасна людинане уявляє свого життя.

Поняття про електричний струм

Подібно до річкової течії, потоку молекул води, електричний струм - це потік заряджених частинок. Що це таке, що його викликає і чому він не завжди йде в одному напрямку? Коли ви чуєте слово тече, про що ви думаєте? Можливо це буде річка. Це хороша асоціація, тому що саме через це електричний струм отримав свою назву. Він дуже схожий на потік води, тільки замість молекул води, що рухаються руслом, заряджені частинки рухаються провідником.

Серед умов, необхідних існування електричного струму, є пункт, що передбачає наявність електронів. Атоми у провідному матеріалі мають багато цих вільних заряджених частинок, які плавають навколо та між атомами. Їх рух є випадковим, тому потік у якомусь заданому напрямку відсутня. Що потрібно, щоб існував електричний струм?

Умови існування електричного струму включають наявність напруги. Коли воно застосовується до провідника, всі вільні електрони рухатимуться в одному напрямку, створюючи струм.

Цікаво про електричний струм

Цікаво, що коли електрична енергія передається через провідник зі швидкістю світла, самі електрони рухаються набагато повільніше. Насправді, якби ви не поспішаючи пройшли поряд із струмопровідним дротом, ваша швидкість була б у 100 разів швидше, ніж рухаються електрони. Це зумовлено тим, що їм не потрібно долати величезних відстаней, щоб передавати енергію один одному.

Прямий та змінний струм

Сьогодні широко використовуються два різних типівструму - постійний та змінний. У першому електрони рухаються в одному напрямку, з «негативної» сторони на «позитивну». Змінний струм штовхає електрони назад і вперед, змінюючи напрямок потоку кілька разів на секунду.

Генератори, що використовуються на електростанціях для електроенергії, призначені для виробництва змінного струму. Ви, напевно, ніколи не звертали увагу на те, що світло у вашому будинку насправді мерехтить, оскільки поточний напрямок змінюється, але це відбувається занадто швидко, щоб очі змогли це розпізнати.

Якими є умови існування постійного електричного струму? Навіщо нам потрібні обидва типи і який із них кращий? Це добрі питання. Той факт, що ми все ще використовуємо обидва типи струму, говорить про те, що вони служать певним цілям. Ще в XIX столітті було зрозуміло, що ефективна передача потужності на великі відстані між електростанцією та будинком була можлива лише за дуже високої напруги. Але проблема полягала в тому, що відправлення справді високої напругибула надзвичайно небезпечною для людей.

Вирішення цієї проблеми полягало в тому, щоб зменшити напругу поза домом, перш ніж відправляти її всередину. І до цього дня постійний електричний струм використовується для передачі на великі відстані, в основному через його здатність легко перетворюватися на інші напруги.

Як працює електричний струм

Умови існування електричного струму включають наявність заряджених частинок, провідника і напруги. Багато вчених вивчали електрику та виявили, що існує два його типи: статичне та поточне.

Саме друге відіграє величезну роль у повсякденному житті будь-якої людини, оскільки є електричним струмом, який проходить через ланцюг. Ми щодня використовуємо його для харчування наших будинків та багато іншого.

Що таке електричний струм?

Коли ланцюги циркулюють електричні заряди з місця в інше, виникає електричний струм. Умови існування електричного струму включають, крім заряджених частинок, наявність провідника. Найчастіше це провід. Схема його є замкнутий контур, у якому струм проходить від джерела живлення. Коли ж ланцюг розімкнуто, він не може закінчити шлях. Наприклад, коли світло у вашій кімнаті вимкнене, ланцюг розімкнений, але коли ланцюг замкнутий, світло горить.

Потужність струму

На умови існування електричного струму у провіднику великий вплив має така характеристика напруги, як потужність. Це показник того, скільки енергії використовується протягом певного періоду часу.

Існує багато різних одиниць, які можуть бути використані для вираження даної характеристики. Однак електрична потужність майже вимірюється у ватах. Один ват дорівнює одному джоулю в секунду.

Електричний заряд у русі

Якими є умови існування електричного струму? Він може набувати форми раптового розряду статичної електрики, такого як блискавка або іскра від тертя з вовняною тканиною. Однак частіше, коли ми говоримо про електричний струм, ми маємо на увазі більш контрольовану форму електрики, завдяки якій світиться світло і працюють прилади. Більшість електричного заряду переноситься негативними електронами та позитивними протонами всередині атома. Проте другі переважно іммобілізовані всередині атомних ядертому робота з перенесення заряду з одного місця в інше проходить електронами.

Електрони у провідному матеріалі, такому як метал, значною мірою вільні для переходу від одного атома до іншого вздовж їх зон провідності, які є вищими електронними орбітами. Достатня електрорушійна сила або напруга створює дисбаланс заряду, який може спричинити рух електронів через провідник у вигляді електричного струму.

Якщо провести аналогію з водою, візьмемо, наприклад, трубу. Коли ми відкриваємо клапан на одному кінці, щоб вода потрапила в трубу, то нам не потрібно чекати, поки ця вода прокладе весь шлях до кінця. Ми отримуємо воду на іншому кінці майже миттєво, тому що вода, що входить, штовхає воду, яка вже знаходиться в трубі. Це те, що відбувається у разі електричного струму у дроті.

Електричний струм: умови існування електричного струму

Електричний струм зазвичай сприймається як потік електронів. Коли два кінці батареї з'єднані один з одним за допомогою металевого дроту, ця заряджена маса через провід потрапляє з одного кінця (електрода або полюса) на протилежний батареї. Отже, назвемо умови існування електричного струму:

1. Заряджені частинки.
2. Провідник.
3. Джерело напруги.

Однак не все так просто. Які умови потрібні для існування електричного струму? На це питання можна відповісти докладніше, розглянувши такі характеристики:

• Різниця потенціалів (напруга).Це одна з обов'язкових умов. Між двома точками має бути різниця потенціалів, що означає, що відштовхувальна сила, яка створюється зарядженими частинками в одному місці, повинна бути більшою, ніж їхня сила в іншій точці. Джерела напруги, як правило, не зустрічаються в природі, і електрони розподіляються в навколишньому середовищідосить рівномірно. Все ж таки вченим вдалося винайти певні типи приладів, де ці заряджені частинки можуть накопичуватися, тим самим створюючи ту необхідну напругу (наприклад, в батарейках).
• Електричний опір (провідник).Це друга важлива умова, яка потрібна для існування електроструму. Це шлях, яким переміщаються заряджені частки. Як провідники виступають тільки ті матеріали, які дають можливість електронам вільно переміщатися. Ті ж, які не мають цієї здібності, називаються ізоляторами. Наприклад, дріт з металу буде чудовим провідником, тоді як його гумова оболонка буде чудовим ізолятором.

Ретельно вивчивши умови виникнення та існування електричного струму, люди змогли приручити цю потужну та небезпечну стихію та спрямувати її на благо людства.

Для виникнення та підтримки струму у будь-якому середовищі необхідне виконання двох умов:

У різних середовищах носіями електричного струму є заряджені різні частинки.

Електричне поле в середовищі необхіднедо створення спрямованого руху вільних зарядів. Як відомо, на заряд q в електричному полі напруженістю Eдіє сила F= q* E,яка змушує вільні заряди рухатися у напрямі електричного поля. Ознакою існування у провіднику електричного поля є наявність не рівної нулю різниці потенціалів між будь-якими двома точками провідника,

Однак, електричні сили не можуть тривалий час підтримувати електричний струм. Спрямований рух електричних зарядів через деякий час призводить до вирівнювання потенціалів на кінцях провідника і, отже, зникнення в ньому електричного поля.

Для підтримки струму в електричному ланцюзіна заряди крім кулонівських сил мають діяти сили неелектричноїприроди (сторонні сили).

Пристрій, що створює сторонні сили, що підтримує різницю потенціалів в ланцюзі і перетворює різні види енергії електричну енергію, називається джерелом струму.

Для існування електричного струму в замкнутому ланцюзі необхідно включення до неї джерела струму.

Основні характеристики

1. Сила струму – I, одиниця виміру – 1 А (Ампер).

Силою струму називається величина, що дорівнює заряду, що протікає через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Формула (1) справедлива для постійного струму,при якому сила струму та його напрямок не змінюються з часом. Якщо сила струму та його напрямок змінюються з часом, то такий струм називається змінним.

Для змінного струму:

Я = НтДд /Дт, (*)

тобто. = q", де q" - похідна від заряду за часом.

2. Щільність струму – j, одиниця виміру – 1 А/м2.

Щільністю струму називається величина, що дорівнює силі струму, що протікає через одиничний поперечний переріз провідника:

3. Електрорушійна сила джерела струму - е.р.с. (e), одиниця виміру - 1 В (Вольт). Е.д.с.- фізична величина, що дорівнює роботі, що здійснюється сторонніми силами при переміщенні по електричному ланцюзі одиничного позитивного заряду:

е = а друг. / м. (3)

4. Опір провідника – R, одиниця виміру – 1 Ом.

Під впливом електричного поля у вакуумі вільні заряди рухалися б прискорено. У речовині вони рухаються у середньому поступово, т.к. частину енергії віддають часткам речовини під час зіткнень.

Теорія стверджує, що енергія впорядкованого руху набоїв розсіюється на спотвореннях кристалічних ґрат. Виходячи з природи електричного опору, випливає, що

R = R * L / S Е, (4)

l - довжина провідника,

S - площа поперечного перерізу,

r - коефіцієнт пропорційності, названий питомим опором матеріалу.

Ця формула добре підтверджується досвідом.

Взаємодія частинок провідника з зарядами, що рухаються в струмі, залежить від хаотичного руху частинок, тобто. від температури провідника. Відомо що

г = г 0 (1 + т), (5)

R = R 0 (1+т).

Коефіцієнт a називається температурним коефіцієнтом опору:

а = (R – R0)/R0*т.

Для хімічно чистих металів a > 0 і 1/273 К-1. Для сплавів температурні коефіцієнти мають менше значення. Залежність r(t) для металів лінійна:

У 1911 році відкрито явище надпровідності, Що полягає в тому, що при температурі, близької до абсолютного нуля, опір деяких металів падає стрибком до нуля.

У деяких речовин (наприклад, електролітів і напівпровідників) питомий опір зі зростанням температури зменшується, що пояснюється зростанням концентрації вільних зарядів.

Величина, зворотна питомому опору, називається питомою електричною провідністю з

з = 1/р. (7)

5. Напруга - U, одиниця виміру - 1 В.

Напруга - фізична величина, що дорівнює роботі, що здійснюється сторонніми та електричними силами при переміщенні одиничного позитивного заряду.

U = (ст. + Аел.) / Q (8)

Оскільки Аст./q = e, а Аэл./q = f1-f2, то

U = е + (е1 - е2) (9)

2.7.2 Основи електробезпеки

Під час експлуатації та ремонту електричного обладнання та мереж людина може опинитися у сфері дії електричного поля або безпосередньому зіткненні з проводками електричного струму, що знаходяться під напругою. Внаслідок проходження струму через людину може відбутися порушення його життєдіяльних функцій.

Небезпека ураження електричним струмом посилюється тим, що, по-перше, струм не має зовнішніх ознак і як правило людина без спеціальних приладів не може завчасно виявити небезпеку, що загрожує їй; по-друге, вплив струму на людину в більшості випадків призводить до серйозних порушень найбільш важливих життєдіяльних систем, таких як центральна нервова, серцево-судинна та дихальна, що збільшує тяжкість ураження; по-третє, змінний струм здатний викликати інтенсивні судоми м'язів, що призводять до ефекту, що не відпускає, при якому людина самостійно не може звільнитися від впливу струму; по-четверте, вплив струму викликає в людини різку реакцію відсмикування, а в ряді випадків і втрату свідомості, що при роботі на висоті може призвести до травмування в результаті падіння.

Електричний струм, проходячи через тіло людини, може надавати біологічну, теплову, механічну та хімічну дії. Біологічна дія полягає у здатності електричного струму дратувати і збуджувати живі тканини організму, теплове – здатність викликати опіки тіла, механічне – призводити до розриву тканин, а хімічне – до електролізу крові.

Вплив електричного струму на організм людини може спричинити електротравму. Електротравма – це травма, спричинена впливом електричного струму або електричної дуги. Умовно електротравми ділять на місцеві та загальні. При місцевих електротравмах виникає місцеве пошкодження організму, що виражається у появі електричних опіків,

електричних знаків, в металізації шкіри, механічних ушкодженнях та електроофтальмії (запалення зовнішніх оболонок очей). Загальні електротравми, або електричні удари, призводять до ураження всього організму, що виражається в порушенні або повному припиненні діяльності найбільш життєво важливих органів і систем - легень (дихання), серця (кровообігу).

Електричний удар являє собою збудження живих тканин організму електричним струмом, що проходить через нього, що супроводжується різкими судомними скороченнями м'язів, у тому числі м'язи серця, що може призвести до зупинки серця.

Під місцевими електротравмами розуміється пошкодження шкіри та м'язової тканини, а іноді зв'язок та кісток. До них можна віднести електричні опіки, електричні знаки, металізацію шкіри, механічні ушкодження.

Електричні опіки - найбільш поширена електротравма, що виникає внаслідок локального впливу струму на тканини. Опіки бувають двох видів - контактний та дуговий.

Контактний опік є наслідком перетворення електричної енергії на теплову і виникає в основному в електроустановках напругою до 1000 В.

Електричний опік – це хіба що аварійна система, захист організму, оскільки обвуглившиеся тканини з більшої опірності, ніж звичайна шкіра, неможливо електриці проникнути вглиб, до життєво важливим системам і органам. Інакше кажучи, завдяки опіку струм заходить у глухий кут.

Коли організм і джерело напруги стикалися нещільно, опіки утворюються на місцях входу та виходу струму. Якщо струм проходить тілом кілька разів різними шляхами, виникають множинні опіки.

Множинні опіки найчастіше трапляються при напрузі до 380 В через те, що така напруга примагнічує людини і потрібен час на від'єднання. Високовольтний струм такої “липучості” не має.

Навпаки, він відкидає людину, але такого короткого контакту достатньо для серйозних глибоких опіків. При напрузі понад 1 000 трапляються електротравми з великими глибокими опіками, оскільки в цьому випадку температура піднімається по всьому шляху прямування струму.

Оцінювати небезпеку впливу електричного струму на людину проявляються три якісно відмінні реакції у відповідь. Це насамперед відчуття, більш судорожне скорочення м'язів (невідпускання для змінного струму та больовий ефект постійного) та, нарешті, фісриляція серця. Електричні струми, що викликають відповідну реакцію у відповідь, поділяють на відчутні, невідпускаючі і фібриляційні.

Зі збільшенням струму чітко виявляються три якісно відмінні

відповідні реакції. Це насамперед відчуття, більш судорожне скорочення

м'язів (невідпускання для змінного струму та больовий ефект постійного) та, нарешті, фісриляція серця. Електричні струми, що викликають відповідну реакцію у відповідь, поділяють на відчутні, невідпускаючі і фібриляційні.

З метою забезпечення електробезпеки використовують такі технічні способита засоби (часто у поєднанні одного з іншим): захисне заземлення; занулення; захисне відключення; вирівнювання потенціалів; мала напруга; електричний поділ мережі; ізоляцію струмопровідних частин; огороджувальні пристрої; попереджувальну сигналізацію, блокування, знаки безпеки; електрозахисні засоби, запобіжні пристрої та ін.

Захисне заземлення- навмисне електричне з'єднання із землею або її еквівалентом металевих не струмопровідних частин, які можуть опинитися під напругою внаслідок пошкодження ізоляції (ГОСТ 12.1.009-76). Захисне заземлення застосовується в мережах напругою до 1000 В із ізольованою нейтраллю і в мережах напругою вище 1000 В як із ізольованою, так і із заземленою нейтраллю.

Захисне відключення- це швидкодіючий захист, що забезпечує автоматичне відключення електроустановки (не більше ніж за 0,2 с) при виникненні у ній пошкодження, у тому числі при пробої ізоляції на корпус обладнання.

Вирівнювання потенціалів- метод зниження напруг дотику та кроку між точками електричного ланцюга, до яких можливий одночасний дотик або на яких може стояти одночасно людина.

Мала напруга- номінальна напруга не більше 42 В, що застосовується з метою зменшення небезпеки ураження електричним струмом.

Електричний поділ мережі- поділ мережі на окремі, електрично не пов'язані між собою, ділянки за допомогою розділяючого

трансформатор. Якщо сильно розгалужену електричну мережу, що має

велику ємність і мале опір ізоляції, розділити на ряд невеликих мереж такого ж напруги, то вони матимуть незначну ємність і високий опір ізоляції. Небезпека ураження струмом різко знижується.

Ізоляція в електроустановкахслужить для захисту від випадкового дотику до струмовідних частин. Розрізняють робочу, додаткову, подвійну та посилену електричну ізоляцію.

Огороджувальні пристроївикористовуються для запобігання дотику або небезпечного наближення до струмоведучих частин.

Блокуванняшироко застосовуються в електроустановках. Вони бувають механічними, електричними, електромагнітними та ін. Блокування забезпечують зняття напруги з струмопровідних частин при спробі проникнути до них при відкритті огорожі без зняття напруги.

Спрямований (упорядкований) рух вільних заряджених частинок під дією електричного поля називається електричним струмом.

Умови існування струму:

1. Наявність вільних зарядів.

2. Наявність електричного поля, тобто. різниці потенціалів. Вільні заряди є у провідниках. Електричне поле утворюється джерелами струму.

При проходженні струму через провідник він робить наступні дії:

· Теплове (нагрівання провідника струмом). Наприклад: робота електричного чайника, праски та ін.).

· Магнітне (виникнення магнітного поля навколо провідника зі струмом). Наприклад: робота електродвигуна, електровимірювальних приладів).

· Хімічне ( хімічні реакціїпри проходженні струму через деякі речовини). Наприклад: електроліз.

Можна також говорити про

· Світловому (супроводжує теплову дію). Наприклад: свічення нитки розжарення електричної лампочки.

· Механічному (супроводжує магнітне або теплове). Наприклад: деформація провідника при нагріванні, поворот рамки зі струмом магнітному полі).

· Біологічному (фізіологічному). Наприклад: ураження людини струмом, використання дії струму у медицині.

Основні величини, що описують процес проходження струму провідником.

1. Сила струму I - скалярна величина, Рівна відношенню заряду, що пройшов через поперечний переріз провідника, проміжку часу, протягом якого йшов струм. Сила струму показує, який заряд відбувається через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Струм називають постійнимякщо сила струму не змінюється з часом. Для того, щоб струм через провідник був постійним необхідно, щоб різниця потенціалів на кінцях провідника була постійною.

2. Напруга U. Напруга чисельно дорівнює роботі електричного поля з переміщення одиничного позитивного заряду вздовж силових ліній поля всередині провідника.

3. Електричний опір R- фізична величина, чисельно рівна відношенню напруги (різниці потенціалів) на кінцях провідника до сили струму, що проходить через провідник.

60. Закон Ома для ділянки ланцюга.

Сила струму в ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі на кінцях цього провідника і обернено пропорційна його опору:

I = U/R;

Ом встановив, що опір прямо пропорційно довжині провідника і обернено пропорційно площі його поперечного перерізу і залежить від речовини провідника.

де ρ – питомий опір, l – довжина провідника, S – площа поперечного перерізу провідника.

61. Опір як електрична характеристика резистора. Залежність опору металевих провідників від роду матеріалу та геометричних розмірів.

Електричний опір- фізична величина, що характеризує властивості провідника перешкоджати проходженню електричного струму і дорівнює відношенню напруги на кінцях провідника до сили струму, що протікає по ньому. Опір для ланцюгів змінного струму та для змінних електромагнітних полів описується поняттями імпедансу та хвильового опору.

Опір (часто позначається буквою R або r) вважається, у певних межах, постійною величиноюдля цього провідника; її можна розрахувати як

Де R – опір; U - різницю електричних потенціалів на кінцях провідника; I - сила струму, що протікає між кінцями провідника під дією різниці потенціалів.

Опір провідника є такою самою характеристикою провідника, як і його маса. Опір провідника не залежить ні від сили струму у провіднику, ні від напруги на його кінцях, а залежить тільки від роду речовини, з якої виготовлений провідник та його геометричних розмірів: , де: l - довжина провідника, S - площа поперечного перерізу провідника, ρ - питомий опір провідника, що показує який опір матиме провідник довжиною 1 м і площею перерізу 1 м 2 виготовлений з даного матеріалу.

Провідники, які підпорядковуються закону Ома, називають лінійними. Існує багато матеріалів та пристроїв, які не підкоряються закону Ома, наприклад, напівпровідниковий діод або газорозрядна лампа. Навіть у металевих провідників за досить великих струмів спостерігається відхилення від лінійного закону Ома, оскільки електричний опір металевих провідників зростає зі зростанням температури.

Залежність опору провідника від температури виражається формулою: де: R - опір провідника при температурі Т, R 0 - опір провідника при температурі 0ºС, α - температурний коефіцієнтопору.