Schetchiksg.ru

Счетчик СГ
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловое свойство электрического тока

Обнаружение и изучение действия электрического тока

Первые же опыты с электрическим током не могли не привести к открытию некоторых присущих ему свойств. Поэтому рассматриваемый период в истории электричества характеризуется главным образом обнаружением и изучением различных действий электрического тока. Масштабные исследования электрического тока в первые годы XIX в. привели к открытию его химических, тепловых, световых и магнитных действий.

В 1800 г. вскоре после получения известия об изобретении вольтова столба члены Лондонского королевского общества Антони Карлейль 17681840) и Вильям Никольсон (1753-1815) [5] произвели ряд опытов с вольтовым столбом, которые привели их к открытию нового явления: при прохождении тока через воду имело место выделение газовых пузырьков; исследовав выделявшиеся газы, они правильно установили, что это кислород и водород. Таким образом, впервые был осуществлен электролиз воды. Вскоре после опубликования работ А. Карлейля и В. Никольсона (1800) немецкий физик Иоганн В. Риттер (1776-1810) также осуществил разложение воды током. После открытия действия тока на воду ряд ученых заинтересовался вопросом о том, к каким результатам приведет пропускание тока через другие жидкости. В том же 1800 г. голландский химик Вильям Крейкшенк (1745-1800), пропуская ток через раствор поваренной соли, получил на отрицательном полюсе едкий натр, не подозревая, что здесь имела место вторичная реакция: поваренная соль разлагалась на Na и Cl, причем натрий, соединяясь с водой, образовывал едкий натр.

Указанные эксперименты положили начало исследованию химических действий гальванического тока, получивших впоследствии важное практическое применение.

Тепловые действия тока были обнаружены в результате накаливания тонких металлических проводников и воспламенения посредством искр легко воспламеняющихся веществ. Световые явления наблюдались в виде искр различной длины и яркости.

В 1802 г. итальянский ученый Джованни Д. Романьози (1761-1835) обнаружил, что электрический ток в проводнике вызывает отклонение свободно вращающейся магнитной стрелки, находящейся вблизи этого проводника. Однако тогда, в первые годы изучения электрического тока, явление, открытое Д. Романьози, имевшее, как впоследствии выяснилось, громадное значение, не получило должной оценки. Только позднее, в 1820 г., когда наука об электричестве достигла более высокого уровня, магнитное действие тока, описанное датским физиком Гансом Христианом Эрстедом (1777-1851), стало предметом глубокого и всестороннего изучения.

Среди многочисленных исследований явлений электрического тока, проведенных в первые годы после построения вольтова столба, наиболее выдающимися были труды первого русского электротехника, профессора физики Санкт-Петербургской медикохирургической академии, академика Василия Владимировича Петрова (1761-1834) (рис. 2.4): в них впервые была показана и доказана возможность практического применения электричества [9-11]. Рис. 2.4. В. В. Петров

Поистине трагическая судьба постигла этого выдающегося ученого, который в истории русской физики, по словам бывшего президента Академии наук СССР академика С. И. Вавилова, по значению своих трудов «непосредственно следует за М. В. Ломоносовым». Какие же заслуги нужно было иметь сыну скромного приходского священника в г. Обояни (Курской губернии), чтобы удостоиться звания академика Петербургской академии наук, значительная часть членов которой имела знатное происхождение, а многие были иностранцами! Несмотря на то что В. В. Петров был не только талантливым физиком и химиком, но и блестящим педагогом, основателем первого крупного физического кабинета, «превосходнейшего во всей Российской империи», он постоянно испытывал враждебное отношение официальных кругов. После смерти В. В. Петрова делается все для того, чтобы имя его было забыто. И это удалось: целое поколение русских физиков в течение полувека (1834-1886) ничего не знали о своем выдающемся соотечественнике. И только в 1886 г. был обнаружен его главный труд «Известия о гальвани- вольтов- ских опытах» (СПб., 1803). Книга вызвала огромный интерес. Видные физики выступают с докладами о вкладе В. В. Петрова в отечественную электротехнику, в 1887 г. в журнале «Электричество» появляется первая статья о забытом русском ученом.

В 30-х гг. ХХ в. были проведены более полные исследования трудов В. В. Петрова, а в 1935 г. Президиум ЦИК СССР принял постановление «Об ознаменовании столетия со дня смерти первого русского электротехника академика В. В. Петрова». В своих трудах по электричеству В. В. Петров собрал обширный опытный материал, который им был тщательно проанализирован: он глубоко понимал значение эксперимента для всестороннего изучения явлений природы. В. В. Петров писал: «. гораздо надежнее искать настоящего источника электрических явлений не в умствованиях, к которым доселе только прибегали почти все физики, но в непосредственных следствиях самих опытов».

Будучи хорошо знакомым с опытами, проводимыми с вольтовым столбом как в России, так и за границей, В. В. Петров пришел к правильному выводу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальванических явлений возможно только при условии создания большой батареи, т. е. в современной терминологии — источника электрической энергии высокого напряжения. Поэтому он добивается у руководства Санкт-Петербургской медико-хирургической академии выделения средств для постройки «такой огромной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производить такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.

Читайте так же:
Количество теплоты электрического тока с зарядом

В апреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных и цинковых кружков, или 2100 медно-цинковых элементов (В. В. Петров называл ее «огромная наипаче батарея»), была готова. Она располагалась в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделения (рис. 2.5). Стенки ящика и разделявших его перегородок были покрыты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи В. В. Петрова составляла 12 м — это был крупнейший в мире источник электрического тока. Как показали современные экспериментальные исследования с моделью батареи В. В. Петрова, электродвижущая сила этой батареи составляла около 1700 В, а максимальная полезная мощность — 60-85 Вт. Ток короткого замыкания батареи не превышал 0,2 А. Вначале В. В. Петров производил, как он указывал, уже известные опыты других физиков, а потом старался производить и такие опыты, «. о которых дотоле не имел никакого известия».

В. В. Петрову было хорошо известно, с каким интересом относятся в России к изучению явлений электрического тока. Поэтому в своей книге он подробно описал не только опыты с гальванической батареей, но и способы ее изготовления, ухода за ней, методику экспериментов и т. п.

В книге В. В. Петрова описаны его опыты по электролизу различных жидкостей, исследованию явлений прохождения электрического тока в разреженном воздухе, наблюдению «светоносных» явлений, сопровождающих действие электрического тока, изучению тепловых действий тока.

В. В. Петров впервые подошел к пониманию того, что действие батареи основано на химических процессах, происходящих в медно-цинковом гальваническом элементе, и правильно установил роль крайних металлических кружков, которые служили лишь проводниками электричества. Он также верно указал на то, что окисление поверхности металлических кружков вызывает ослабление действия батареи.

Петровым была впервые установлена важнейшая закономерность в электрической цепи — зависимость тока в проводнике от площади поперечного сечения проводника. Он правильно указал на то, что при увеличении площади поперечного сечения проводника ток в нем возрастает. Поэтому В. В. Петров раньше всех предшественников Г. Ома, сформулировавшего в 1826 г. известный закон, носящий его имя, установил, что через вещества, обладающие большим сопротивлением, гальвани-вольтовская жидкость (так он называл электрический ток. — Авт.) может протекать лишь тогда, когда «количество ее весьма знатно увеличится», т. е. в современной терминологии — при повышении напряжения в цепи. Термин «сопротивление» введен в электротехнику В. В. Петровым.

Действия электрического тока

1. Магнитное действие тока.

Магнитная стрелка, поставленная параллельно с любым проводником, по которому течёт ток определённой силы, всегда испытывает отклонение независимо от свойств проводника.

Магнитное действие тока следует рассматривать как наиболее характерное проявление тока, так как магнитное действие тока проявляется всегда, независимо от свойств проводников.

если ключ разомкнут, то есть в данной цепи нет электрического тока, магнитная стрелка не испытывает отклонений

если ключ замкнут, (по проводу (1) течет электрический ток), магнитная стрелка (2) отклоняется от первоначального направления.

2. Химическое действие тока.

Химическое действие электрического тока заключается

в разложении электролитов на составные части (положительные и отрицательные ионы) при прохождении через них электрического тока.

При прохождении электрического тока через подкислённую воду происходит разделение её на составные части.

Опыт показывает, что химическое действие наблюдается не во всех проводниках:

1. Электрический ток в металлах не вызывает никаких химических изменений;

2. В растворах серной кислоты, поваренной соли, селитры,… ток вызывает выделение составных частей.

Поэтому принято делить все проводники на две группы:

1. Проводники первого рода, в которых электрический ток не вызывает химических действий (к ним относятся все металлы, а также уголь).

2. Проводники второго рода, которые под действием электрического тока разделяются на составные части. Проводники второго рода называют ещё электролитами, а само явление разложения вещества током – электролизом (от греческого слова «лио» — разлагаю).

3. Тепловое действие тока.

Проводник, по которому течёт электрический ток, нагревается.

Тот факт, что проводники нагреваются при прохождении тока, широко применяется во всех электронагревательных и осветительных приборах, в электросварке и электроплавильных печах. Это полезное применение данного явления.

Но при прохождении электрического тока нагреваются обмотки всех электрических машин, провода линии электропередачи. Это вредное проявление данного явления.

Читайте так же:
Как определить ток уставки теплового реле

Исследуя на опыте нагревание проводников током, русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804 – 1865) и английский физик Джеймс Джоуль (1818 – 1889) установили следующий закон: количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I и времени t, в течение которого поддерживается ток в проводнике.

Этот закон, носящий название закона Джоуля – Ленца, можно выразить следующей формулой:

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.001 с) .

Тема № 2. Работа и мощность электрического тока. Свойства электрического тока

Работа электрического тока

При прохождении по цепи электрический ток совершает работу, при этом электрическая энергия источника тока превращается в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.д.) Работа электрического тока математически выражается произведением напряжения, силы тока и времени действия.

Работа А электрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время ∆ t равна:

А = I – U – t = I 2 – R – t

Работа измеряется в ватт – секундах, ватт – часах или в киловатт – часах. За единицу работы принят джоуль, или ватт-секунда, т.е. работа, совершаемая током в 1 ампер при напряжении 1 вольт за 1 секунду.

Мощностью называется работа, совершаемая током в единицу времени.

Мощность электрического тока математически выражается отношением работы тока А ко времени ∆ t. за которое эта работа совершена:

где,

P –мощность тока, Вт
I –сила тока, А
U –электрическое напряжение, В

Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока. Известно три действия тока: химическое, магнитное и тепловое.

Тепловое действие тока.

Если на участке цепи под действием электрического тока не совершается механическая работа, и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству тепла, выделяемого для нагревания проводника при протекании по нему электрического тока. Количество выделяемого тепла определяется по закону Джоуля – Ленца:

Q = А = 0,24 I 2 R t (калорий).

Переводной коэффициент «0,24» — это количество тепла, выделяемого в проводнике, имеющем сопротивление 1 ом при прохождении через него тока силой в 1 ампер в течение 1 секунды.

Одна малая калория (или просто калория) -количество тепла, которое необходимо для нагрева воды массой в 1 грамм на 1 градус Цельсия. Одна большая калория или килокалория равна 1000 калорий.

Режим короткого замыкания.

Режим короткого замыкания – явление, когда в цепи резко падает общее сопротивление (т.к. образуется параллельная цепь). По закону Ома в цепи возникает большой ток, который вызывает нагрев проводников. А если учесть, что по закону Джоуля – Ленца количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, нагрев может привести к возгоранию.

Плавкие предохранители.

На вагоне применяются предохранители для защиты высоковольтных и низковольтных цепей.

Высоковольтные предохранители – неразборные, их «заправляют» на специальном участке, подбирая провода определенного сечения. На корпусе делается маркировка величины тока, на которую рассчитан данный предохранитель.

Предохранители низковольтной цепи – разборные, в них применяются специальные плавкие вставки. Запасные предохранители всегда должны быть в вагонной сумке. Выезжать из парка без запасных предохранителей недопустимо.

Химическое действие тока.

Растворы солей, кислот и щелочей в воде называются ЭЛЕКТРОЛИТАМИ. Электролиты проводят электрический ток. Это объясняется тем, что молекулы вещества в растворе делятся на ИОНЫ, т.е. частицы, несущие заряды. Ионы водорода и металлов несут положительный заряд и под воздействием напряжения между электродами движутся по направлению к КАТОДУ (отрицательному электроду). Здесь, забирая у катода электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Ионы остальных веществ заряжаются отрицательно и под воздействием напряжения движутся в АНОДУ (положительному электроду). Здесь, отдавая ему электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Следовательно, электрический ток в электролитах представляет собой движение ионов. Химическое действие тока широко используется в технике. При электролизе производится покрытие металлических предметов слоем другого металла (гальваностегия), очистка меди, получение чистого алюминия и т.д. На химическом действии тока основана работа аккумулятора.

Аккумулятором называется прибор, способный в результате химических процессов накапливать электрическую энергию и хранить ее в течение определенного времени. В зависимости от используемого электролита аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. В качестве электролита в щелочном аккумуляторе используется 20% — ный водный раствор химически чистого едкого натра. Пластины в щелочных аккумуляторах представляют собой железные решетки с различной активной массой. В положительных пластинах в качестве активной массы используется соединение водной окиси никеля, графита и электролитического никеля, а в отрицательных – губчатое железо с гидроокисью кадмия.

Читайте так же:
Объясните тепловое действие электрического тока

В отличие от кислотных, щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода, они не боятся сотрясений, могут долго оставаться в разряженном состоянии, без повреждений выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов очень опасны.

Недостатки щелочных аккумуляторов: меньшее рабочее напряжение, меньший КПД (порядка 60%),большое внутреннее сопротивление.

Как одна из технических характеристик аккумулятора, существует такое понятие, как ЕМКОСТЬ АККУМУЛЯТОРА. Это количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде его определенным током до минимально допустимого напряжения. Емкость батареи измеряется в ампер – часах.

На трамвайном вагоне «ЛМ-68М» применяется никель – кадмиевая щелочная аккумуляторная батарея «НК-125». Батарея состоит из 20 элементов, соединенных последовательно. Общее напряжение – 24 вольта. Емкость батареи – 125 ампер – часов.

Тема № 3. Магнетизм. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция.

Кусок стали, обладающий свойством притягивать к себе стальные частицы, находящиеся на небольшом расстоянии, называется МАГНИТОМ, а само явление – МАГНЕТИЗМОМ. Магнит, выполненный в виде прямоугольного бруска, обладает наибольшей силой притяжения у концов. В средней части притяжение равно нулю. Места магнита, обладающие наибольшей силой притяжения, называются полюсами.

Прямоугольный магнит, подвешенный на нитке в горизонтальном направлении, устанавливается всегда так, что один его конец обращен на север, а другой – на юг. Подобное явление вызвано тем, что земля сама является магнитом, а магниты обладают свойством притяжения разноименных полюсов и отталкивания одноименных. Конец магнита, обращенный к северу, называется СЕВЕРНЫМ ПОЛЮСОМ и обозначается буквой « N »; конец, обращенный к югу, называется ЮЖНЫМ ПОЛЮСОМ и обозначается буквой «S ».

Пространство, в котором проявляется действие магнита, называется магнитным полем. Те линии, в направлении которых действуют силы магнита, называются магнитными силовыми линиями. Расположение магнитных силовых линий будет отчетливо видно, если на магнит положить лист бумаги и насыпать на него мелкие стальные опилки. Магнитные силовые линии могут иметь различную длину, разнообразную геометрическую форму, но обязательно являются замкнутой линией. Условно считают, что магнитные силовые линии направлены от северного полюса к южному.

Один и тот же кусок стали можно намагнитить сильнее или слабее. Силу магнита условились определять числом магнитных силовых линий. Чем сильнее намагничен магнит, тем гуще расположены магнитные силовые линии. Общее число магнитных силовых линий называется магнитным потоком и обозначается буквой «Ф».

Магнитное действие тока (электромагнетизм).

При наличии в проводнике тока, вокруг него возникает магнитное поле. Если проводник с током пропустить через лист бумаги с насыпанными на него стальными опилками, то опилки расположатся вокруг проводника по окружности. Магнитное поле существует только в то время, когда по проводнику пропущен ток. Если изменить направление тока в проводнике, то направление магнитных силовых линий изменится на обратное. Это можно определить при помощи легкой магнитной стрелки (например, от компаса). Направление магнитных силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током можно определить по правилу «буравчика». «Если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика покажет направление магнитных силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током».

Катушка со стальным сердечником — это электромагнит.

После размыкания цепи и исчезновения тока в катушке электромагнита, магнитные свойства сердечника не исчезают совершенно, в нем остается некоторый магнетизм, называемый остаточным.

Проводник с током в магнитном поле. Электромагнитная индукция.

Если проводник поместить в магнитное поле и пропустить по проводнику ток, то проводник начнёт двигаться перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.

Это происходит в результате взаимодействия 2-х магнитных полей: магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля, образующегося вокруг проводника с током.

Условно принято изображать сечение проводника в виде окружности 〇, а направление тока в нём изображается стрелой с оперением. Если в центре окружности стоит точка , то ток направлен к нам. Если ток в проводнике направлен от нас, в окружности стоит крестик Å.

Для определения направления движения проводника с током в магнитном поле пользуются правилом «левой руки».

Понятие, виды и свойства электрического тока

Время на чтение:

Применение электрического тока разнообразно, поскольку невозможно представить без него жизнь человечества. Следует понимать его природу возникновения, чтобы направить энергию во благо, а не во вред. Электрический ток подчиняется законам физики, которые используются для изготовления различных устройств. Для его грамотного использования нужно знать основные электрические величины.

Основные понятия

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.

Читайте так же:
Выключатели терморегуляторы теплого пола

Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление. В некоторых источниках можно встретить такое определение: электроток — скорость, с которой происходит изменение зарядов элементарных частиц в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разность потенциалов). Свойства, которыми обладает электроток: тепловое, механическое, химическое и создание электромагнитного поля.

Сила и тип тока

Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.

Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки. В диэлектриках нет вообще носителей заряда, следовательно, этот факт исключает проводимость электричества вообще.

Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). 1 А — единица измерения силы неизменяющегося тока, который проходит по двум проводникам бесконечной длины и очень малой площади поперечного сечения, являющимися параллельными между собой и расположенными в вакуумном пространстве на расстоянии одного метра друг от друга, причем каждый метр такого проводника может вызывать силу взаимодействия, равную 2*10^(-7) Н.

Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.

Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.

Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.

Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида. Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение силовой характеристики Iм, время t и угловую частоту w = 2 * 3,1416 * f (частота тока источника питания): i = Iм * sin (w * t). Еще одной величиной, характеризующей электроток, является напряжение или разность потенциалов.

Разность потенциалов

Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.

При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.

Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.

Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.

Условия получения и законы

Электроток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник. Но также справедливо и обратное утверждение, доказывающее возникновение электрического поля в результате протекания тока. Важными условиями его получения являются такие факторы: наличие свободных электронов и источника напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, которая способствует «вырыванию» из кристаллической решетки этих частиц.

Проводимость веществ

Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре проводника возникает движение атомов, некоторые из них распадаются и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействует с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепловую. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника. Оно зависит от следующих составляющих:

  • Температуры.
  • Типа вещества.
  • Длины проводника.
  • Площади поперечного сечения.
Читайте так же:
Кратность тока короткого замыкания теплового расцепителя

При уменьшении температуры вещества происходит снижение его сопротивления. Зависимость от типа вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Они образуют между собой кристаллическую решетку, причем у каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, а следовательно, отличается от других наличием носителей заряда.

Кроме того, потоку заряженных частиц сложнее пройти через длинный проводник с маленьким значением его площади поперечного сечения.

Проводником является и электролит или жидкость, проводящая электрический ток. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые бывают положительно (анионы) и отрицательно (катионы) заряжены. Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Перемещение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы перемещаются к аноду, а анионы — к катоду.

При протекании тока через электролит происходит его нагревание, в результате которого увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы способны проводить электроток тоже. Носителями заряда в них являются ионы и электроны, а сам «заряженный газ» называется плазмой.

Электричество в полупроводниках подчиняется тем же законам, что и в проводниках, но есть некоторые отличия. Представлять носители заряда в них могут электроны и дырки. При уменьшении температуры сопротивление его возрастает. При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а в месте, где они были, происходит образование дырки. Однако она притягивает другой электрон, который находится рядом. Так и происходит движение дырок. Следовательно, сумма дырочного и электронного электромагнитных полей образует электроток.

Основные соотношения

Все явления подчиняются физическим законам, и электричество не является исключением. Основные соотношения зависимости одной величины от других описаны в законах, которые применяются для расчета различных схем для простых и сложных устройств. Кроме того, правила помогают избежать различных аварийных ситуаций, поскольку электричество может служить и во вред человечеству, вызывая пожары, травмы и даже смерть.

Основным законом, используемым в электротехнике, является закон Ома для участка и полной цепи. Для участка цепи он показывает зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R и его формулировка следующая: ток, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален значению напряжения и обратно пропорционален сопротивлению этого участка (I = U / R).

Для полной цепи, в которой существует электродвижущая сила (e) и внутреннее сопротивление источника питания: формулировка выглядит следующим образом: ток, протекающий в полной цепи, прямо пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи с учетом внутреннего сопротивления источника питания (i = e / (R + Rвн)).

Из этих законов можно получить следствия, которые нужны для нахождения величин напряжения, ЭДС и сопротивлений. Следствия из законов Ома:

  • R = U / I.
  • U = I * R.
  • e = i * (R + Rвн).
  • R = (e / i) — Rвн.
  • Rвн = (e / i) — R.

Электроток, при прохождении через проводник или полупроводник, совершает работу, при которой выделяется тепловая энергия. Это одно из его свойств. Ее численное значение определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.

Закон показывает зависимость количества теплоты от величин напряжения и силы тока, а также времени протекания электротока.

Его формулировка следующая: количество теплоты Q, выделяемое током при протекании через проводник за единицу времени, прямо пропорционально зависит от напряжения и силы тока (Q = U * I * t). Следствия из этого закона следующие:

    • Q = sqr (I) * R * t.
    • Q = (sqr (U) * t) / R.
    • I = Q / (U * t).
    • I = sqrt ((Q / (R * t)).
    • U = Q / (I * t).
    • U = sqrt (Q * R * t).
    • t = Q / (U * I).
    • t = Q / (sqr (I) * R).
    • t = Q / (sqr (U) / R).
  • Q = P * t.
  • P = Q / t.
  • t = Q / P.

Величина Р является мощностью и вычисляется по формуле: Р = U * I. Если электрический ток в цепи не совершает механическую работу и не производит никакого действия, то все электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. A = Q.

Опытным путем было установлено, что при пересечении линий электромагнитной индукции проводником замкнутого типа в нем появляется электроток. Закон о влиянии электромагнитного поля на возникновение тока называется законом Фарадея. Он гласит: отрицательное значение ЭДС электромагнитной индукции в контуре, который является замкнутым, равно изменению магнитного потока с течением времени. Из закона Фарадея следует, что при движении проводника в постоянном магнитном поле на концах первого возникает разность потенциалов. Этот принцип используется для изготовления генераторов, трансформаторов и т. д.

Таким образом, электрический ток, как все явления и процессы, подчиняется определенным законам, которые позволяют не только контролировать, но и избегать негативных последствий, связанных с его работой. Производить расчеты нужно и для экономии времени, поскольку подбор номинала какого-либо элемента схемы может привести к выходу из строя устройства.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию