Меню

Векторная характеристика электрического тока

Что такое векторная диаграмма токов и напряжений? Как построить график

Использование векторных диаграмм при анализе, расчете цепей переменного тока делает возможным рассмотреть более доступно и наглядно происходящие процессы, а также в некоторых случаях значительно упростить выполняемые расчеты.

Векторной диаграммой принято называть геометрическое представление изменяющихся по синусоидальному (либо косинусоидальному) закону направленных отрезков — векторов, отображающих параметры и величины действующих синусоидальных токов, напряжений либо их амплитудных величин.

Широкое применение векторные диаграммы нашли в электротехнике, теории колебаний, акустике, оптике и т.д.

Различают 2-х вида векторных диаграмм:

  • точные;
  • качественные.

Интересное видео о векторных диаграммах смотрите ниже:

Точные изображаются по результатам численных расчетов при условии соответствия масштабов действующих значений. При их построении можно геометрически определить фазы и амплитудные значения искомых величин.

Васильев Дмитрий Петрович

Они являются одним из основных средств анализа электрических цепей, позволяя наглядно иллюстрировать и качественно контролировать ход решения задачи и легко установить квадрант, в котором располагается искомый вектор.

Векторная диаграмма токов и напряжений 1

Для удобства при построении диаграмм анализируют неподвижные векторы для определенного момента времени, который выбирается таким образом, чтобы диаграмма имела удобный для понимания вид. Ось OХ соответствует величинам действительных чисел, ось OY — оси мнимых чисел (мнимая единица). Синусоида отображает движение конца проекции на ось OY. Каждому напряжению и току соответствует собственный вектор на плоскости в полярных координатах. Его длина отображает амплитудное значение величины тока, при этом угол равен фазе.

Векторы, изображаемые на такой диаграмме, характеризуются равновеликой угловой частотой ω. В виду чего при вращении их взаимное расположение не изменяется.

Ещё одно полезное видео о векторных диаграммах:

Поэтому при изображении векторных диаграмм один вектор можно направить произвольным образом (например, по оси ОХ).

А остальные — изображать по отношению к исходному под различными углами, соответственно равными углам сдвига фаз.

Векторная диаграмма токов и напряжений 3

Таким образом, векторная диаграмма дает отчетливое представление об опережении либо отставании различных электрических величин.
Допустим у нас есть ток, величина которого изменяется по некоторому закону:

i = Im sin (ω t + φ).

С начала координат 0 под углом φ проведем вектор Im, величина которого соответствует Im. Его направление выбирается так, чтобы с положительным направлением оси OX вектор составлял угол — соответствующий фазе φ.

Абрамян Евгений Павлович

В основном векторные диаграммы изображают для действующих значений, а не амплитудных. Векторы действующих значений количественно отличаются от амплитудных значений — масштабом, поскольку:

I = Im /√2.

Векторная диаграмма токов и напряжений 4

Основным преимуществом векторных диаграмм называют возможность простого и быстрого сложения и вычитания 2-х параметров при расчете электроцепей.

Источник

Векторная характеристика электрического тока

Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. Носителями заряда в зависимости от типа проводника могут быть электроны или ионы. В металлических проводниках — это электроны, в гальванических ваннах, т. е. в растворах электролитов, — положительные и отрицательные ионы, в плазме — электроны и положительные ионы.

Направлением тока условно принято считать направление движения положительных зарядов. Поэтому направление тока в металлах противоположно истинному направлению движения носителей заряда — электронов.

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей зарядов и электрического поля, которое вызывало бы их направленное движение. В отличие от электростатики, где рассматривается равновесие зарядов и поэтому электрическое поле в проводниках отсутствует, при наличии тока напряженность электрического поля внутри проводника отлична от нуля. Для создания такого поля необходим какой-либо внешний источник.

§ 10. Характеристики электрического тока. Закон Ома

При стационарном токе нигде в проводнике не должно происходить накопления носителей заряда. Поэтому такой ток может существовать только в замкнутой электрической цепи, где возможно непрерывное движение зарядов в одном направлении.

Для количественной характеристики электрического тока используются две основные величины: плотность тока и сила тока I.

Плотность тока. Плотность тока определяется зарядом, проходящим за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению движения зарядов. Это векторная величина, равная произведению объемной плотности движущихся зарядов на скорость их направленного движения:

Объемную плотность можно представить как произведение заряда одного носителя на их концентрацию Поэтому формулу (1) можно записать в виде

Когда электрический ток создается одновременно несколькими сортами носителей, полная плотность тока равна векторной сумме вкладов отдельных сортов, для каждого из которых справедлива формула (2) со своими значениями

В том, что формула (2) действительно характеризует заряд, пересекающий единичную площадку сечения проводника за одну секунду, можно убедиться, посмотрев на рис. 54а.

Рис. 54. К определению плотности тока (а) и силы тока (б)

Через единичную площадку ориентированную перпендикулярно скорости носителей, за одну секунду проходят те носители, которые в начале этой секунды находятся внутри цилиндра с основанием единичной площади и высотой (длиной боковой поверхности), численно равной скорости направленного движения

Обратим внимание на то, что вектор плотности тока всегда направлен в ту же сторону, что и напряженность электрического поля Е, независимо от того, создается ли ток движением положительных или отрицательных зарядов.

Сила тока. Сила тока I определяется зарядом, проходящим за одну секунду через любое поперечное сечение проводника. Когда плотность тока одинакова по всему сечению, сила тока равна скалярному произведению плотности тока на площадь сечения:

где вектор направлен перпендикулярно выбранному сечению, а его модуль равен площади этого сечения. Поскольку вектор для данного сечения проводника (рис. 54 б) можно считать направленным как в одну, так и в противоположную сторону, сила тока I может быть как положительной, так и отрицательной. Если выбрать сечение перпендикулярно вектору плотности тока, то косинус угла между и равен либо + 1, либо — 1. Поэтому сила тока I равна либо либо — в зависимости от того, совпадает выбранное направление с направлением движения положительных зарядов или противоположно ему.

Если плотность тока не постоянна по сечению проводника, нужно это сечение мысленно разбить на малые участки в

пределах которых плотность тока можно считать постоянной. Сила тока через каждый из них находится как , а полная сила тока получается суммированием по всем участкам. Поскольку заряд переносимый за время через сечение равен

то для силы тока справедливо

Если сила тока не изменяется со временем, ток называется постоянным.

Единица силы тока. Единицей силы тока в СИ служит ампер Ампер входит в число основных единиц этой системы и вводится на основе магнитного взаимодействия токов. В системе СГСЭ единица силы тока является производной и определяется как сила такого тока, при котором через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит единичный заряд. Ее размерность Так как , то

Действия электрического тока. Движение электронов и ионов непосредственно увидеть невозможно. Однако это движение вызывает различные сопутствующие явления, по которым и можно судить о наличии тока и его силе.

Еще в 1820 г. X. К. Эрстед обнаружил, что проводник с током вызывает появление сил, действующих на магнитную стрелку. Если расположить прямой металлический провод параллельно магнитной стрелке, установившейся вдоль силовых линий магнитного поля Земли, то при пропускании по нему сильного тока стрелка отклоняется, стремясь установиться поперек провода. Если изменить направление тока, стрелка отклоняется в противоположную сторону. Отклонение стрелки наблюдается и в том случае, если вместо металлического проводника постоянный ток пропускать по газоразрядной трубке или трубке с электролитом. Магнитное действие проявляется во всех случаях независимо от природы проводника и является самым общим признаком электрического тока.

Рис. 55. Упрощенное устройство магнитоэлектрического прибора

Магнитное действие тока используется для измерения силы тока. Например, в приборах магнитоэлектрической системы (рис. 55) имеется легкая проволочная рамка,

укрепленная на спиральной пружине и помещенная между полюсами постоянного магнита. При пропускании тока на рамку действует момент сил, пропорциональный силе тока. Этот момент поворачивает рамку, закручивая пружину. По углу поворота рамки можно судить о силе тока. Приборы, показания которых зависят от силы тока, имеют общее название гальванометров. Магнитное действие тока используется в электродвигателях.

Электрический ток вызывает нагревание проводников. На тепловом действии тока основана работа разнообразных электронагревательных приборов, плавильных печей и т. п.

В некоторых видах проводников прохождение электрического тока вызывает химическое действие, заключающееся в разложении вещества на составные химические части. Такой процесс называется электролизом.

Проводники, в которых не проявляется химическое действие тока, называются проводниками первого рода. К их числу принадлежат металлы, полупроводники и некоторые химические соединения. Проводники, в которых происходит электролиз, называются проводниками второго рода или электролитами. К ним относятся многие водные растворы кислот и солей и некоторые химические соединения в жидком и твердом состояниях.

Читайте также:  Расчет установившегося тока короткого замыкания

Закон Ома. Существует много способов вызвать направленное движение электрических зарядов Например, в электростатическом генераторе Ван-де-Граафа (рис. 56), который использовался в первых ускорителях заряженных частиц, электрические заряды сообщаются движущейся резиновой ленте 4 и поднимаются ею наверх в изолированный металлический купол 1, где они накапливаются. Такой способ приведения зарядов в движение можно назвать механическим. Аналогично заряженные капли воды при падении под действием силы тяжести в атмосфере создают электрический ток — часть системы электрических токов Земли.

Более обычный способ создания тока — действие на носители заряда силы со стороны электрического поля. Результат этого действия зависит от физической природы среды, в которой действует это поле. Для большого круга веществ, в частности металлов, в широком диапазоне условий, закономерности электрического тока описываются простым эмпирическим соотношением, называемым законом Ома.

Как показывает опыт, для многих веществ в широких пределах плотность электрического тока пропорциональна

Рис. 56. Электростатический генератор Ван-де-Граафа

напряженности электрического поля Е в веществе:

где а — постоянная для данного вещества величина, называемая удельной проводимостью или просто проводимостью. Ее значение у каждого вещества зависит от его физического состояния: от температуры, давления и т.

Закон Ома справедлив для однородных тел, физические свойства которых во всех точках одинаковы. Формула (5) остается справедливой и в случае неоднородных тел, но тогда проводимость а является функцией координат, т. е. в каждом месте имеет свое значение.

Однородные и изотропные проводники. Формула (5) относится к изотропным веществам, свойства которых одинаковы по всем направлениям. Внутри большинства проводников любые три взаимно перпендикулярных направления физически эквивалентны. В металлах атомы образуют анизотропную кристаллическую решетку, но любой макроскопический образец — кусок металла — состоит обычно из большого числа случайно ориентированных маленьких кристалликов, что приводит к эквивалентности всех направлений. В результате вектор имеет то же направление, что и вектор Е.

Вспоминая о том, что плотность тока пропорциональна скорости упорядоченного движения носителей заряда, а напряженность поля Е характеризует действующую на них силу, приходим к выводу, что равенство (5) фактически означает пропорциональность между скоростью движения и действующей силой. Мы видим, что для поддержания постоянного тока, т. е. движения зарядов с постоянной скоростью, необходимо непрерывное действие силы. Но это значит, что в проводниках происходит рассеяние носителей заряда, эквивалентное их движению с трением. В противном случае действующая на них электрическая сила вызывала бы их ускоренное, а не равномерное движение. Другими словами, проводники обладают электрическим сопротивлением.

Удельное сопротивление. Для характеристики электрического сопротивления вводится величина, обратная его удельной проводимости называемая удельным сопротивлением

Закон Ома является одним из самых ранних экспериментальных открытий в области электрического тока в веществе. Его нельзя вывести теоретически только из законов электродинамики, описывающих электрическое поле. Закон Ома можно получить в рамках микроскопического подхода на основе изучения процессов, происходящих в веществе при приложении электрического поля, используя какую-либо определенную модель вещества.

В металлах электрическое сопротивление обусловлено рассеянием электронов проводимости на тепловых колебаниях

кристаллической решетки и хаотически расположенных дефектах кристалла — в идеальной строго периодической решетке сопротивление отсутствовало бы. В разных веществах процессы могут сильно различаться, но независимо от характера рассеяния носителей связь между плотностью тока и напряженностью поля при не слишком сильных полях всегда оказывается линейной.

Рис. 57. К закону Ома для однородного участка цепи

Закон Ома для однородного участка. Постоянное электрическое поле Е внутри участка однородного проводника можно создать, приложив к концам этого участка некоторое напряжение (разность потенциалов) и поддерживая его неизменным. Если длина этого однородного участка равна (рис. 57), то очевидно, что Сила тока в любом сечении равна произведению плотности тока на площадь сечения: Поэтому из закона Ома следует

— сила тока пропорциональна приложенному напряжению. Если ввести сопротивление для рассматриваемого однородного участка соотношением

то, учитывая, что формулу (7) можно записать в виде

Равенство (9) называют законом Ома для однородного участка цепи. Именно в таком виде этот закон и был установлен немецким физиком Г. Омом в

Сопротивление и его единицы. Сопротивление определяемое формулой (8), характеризует определенный образец проводника (например, проволоку круглого сечения) и зависит как от материала проводника так и от его геометрических размеров и в то время как удельное сопротивление от геометрии образца не зависит.

Единица сопротивления устанавливается на основе закона Ома (9). В СИ эта единица называется омом (Ом). 1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором при приложении напряжения 1 В возникает ток силой Единица сопротивления в системе СГСЭ также устанавливается на основе (9), но практически не применяется.

Удельное сопротивление — это сопротивление проводника длиной с площадью поперечного сечения Единица удельного

сопротивления На практике для удельного сопротивления часто используется внесистемная единица 1 Ом Ом которая удобна при расчете электрического сопротивления проволок.

В технике словом «сопротивление» иногда обозначают специальные устройства, включаемые в электрическую цепь и обладающие электрическим сопротивлением.

Рис. 58. Резисторы и их условные обозначения на электрических схемах

Такие устройства называются резисторами. На рис. 58 изображены реостат — резистор с переменным (регулируемым) сопротивлением и постоянный резистор, а также их условные обозначения на схемах электрических цепей.

Зависимость сопротивления от температуры. Электрическое сопротивление зависит от температуры, причем эта зависимость разная у разных веществ. Особенно сильной температурной зависимостью отличается удельное сопротивление тех веществ, у которых с изменением температуры меняется концентрация носителей заряда, как это бывает в полупроводниках и в плазме. В металлах изменение сопротивления с температурой связано не с изменением концентрации электронов, а с изменением интенсивности колебаний кристаллической решетки, которыми в основном и обусловлено сопротивление их движению. Удельное сопротивление металла линейно зависит от температуры в широком интервале ее изменения:

где — температура металла по шкале Цельсия, — удельное сопротивление при температурный коэффициент сопротивления, характеризующий относительное изменение удельного сопротивления проводника при изменении его температуры на один кельвин (градус). Опыт показывает, что для чистых металлов в интервале температур от 0 до температурный коэффициент сопротивления практически постоянен и для всех металлов имеет почти одно и то же значение, близкое к 1/273 на градус температуры.

Изменение геометрических размеров металлических проводников с температурой гораздо меньше изменения их удельного сопротивления. Поэтому зависимость любого металлического образца от температуры дается той же формулой (10). Существуют сплавы (константан, манганит), у которых при нагревании удельное

сопротивление практически не меняется. Их применяют для изготовления проволочных резисторов с постоянным сопротивлением.

Вольт-амперная характеристика. В технических приложениях для описания процессов в электрических цепях часто используется понятие вольт-амперной характеристики. Вольт-амперная характеристика какого-либо устройства — это график зависимости силы тока в нем от приложенного к нему напряжения: Для проводников, подчиняющихся закону Ома, вольт-амперная характеристика в соответствии с (9) представляет собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 59). Ее наклон определяется сопротивлением рассматриваемого устройства. В обычных проводниках сопротивление не зависит от направления тока, поэтому прямую на вольт-ам-перной характеристике можно продолжить и в область отрицательных значений

При использовании вольт-амперных характеристик следует помнить о связанных с ними ограничениях. Например, для конкретного устройства никогда нельзя считать, что прямая на рис. 59 тянется до бесконечности.

Рис. 59. Вольт-амперная характеристика проводника, подчиняющегося закону Ома

Рис. 60. Вольт-амперная характеристика лампочки накаливания. Сила тока измеряется после установления стационарного значения температуры

В частности, при измерении вольт-амперной характеристики лампочки накаливания с вольфрамовой нитью мы обнаружим, что она имеет вид, схематически изображенный на рис. 60. Искривление вольт-амперной характеристики связано с нагревом нити и увеличением сопротивления нити накала с ростом температуры.

В некоторых устройствах, таких как диоды, сопротивление зависит от направления тока. В одном направлении носители заряда проходят по нему как по обычному резистору с некоторым почти постоянным сопротивлением. Однако при противоположной полярности приложенного напряжения носители заряда испытывают большее сопротивление движению. Фактически кривая на графике не изменяет резко своего наклона при равном нулю напряжении, а постепенно переходит от одного наклона к другому в интервале значений напряжения в несколько десятых вольта.

Иногда вольт-амперные характеристики отражают немонотонную зависимость тока от напряжения. Например, на вольт-ампер-ной характеристике электрической дуги, горящей между угольными или металлическими электродами имеется: падающий участок, соответствующий увеличению тока при уменьшении напряжения между электродами.

Читайте также:  Расчет кпд источника тока

Линейные и нелинейные явления в электрических цепях. Закон Ома (9) описывает линейные явления в электрических цепях. Всякое отклонение от закона Ома, выражающееся в искривлении вольт-амперной характеристики, соответствует нелинейным явлениям при прохождении тока. Нелинейные явления встречаются гораздо чаще, чем это может показаться на первый взгляд. Нелинейность присуща даже обыкновенной лампочке накаливания, хотя ее нить накала сделана из металла, для которого закон Ома точно выполняется вплоть до очень больших значений плотности тока, намного превосходящих номинальное.

Дифференциальное сопротивление. Но на достаточно малых участках практически любой нелинейной вольт-амперной характеристики связь между изменениями напряжения и тока можно считать линейной: малому изменению напряжения соответствует пропорциональное изменение силы тока:

где величина определяющая наклон данного участка вольт-амперной характеристики, называется дифференциальным сопротивлением. Для падающих участков вольт-амперной характеристики дифференциальное сопротивление отрицательно.

• Каковы условия существования электрического тока?

• Почему для существования стационарного тока необходима замкнутая электрическая цепь?

• Как связаны между собой векторная характеристика тока — плотность тока и скалярная характеристика — сила тока ?

• Как плотность тока выражается через концентрацию носителей заряда и скорость их направленного движения?

Какие действия электрического тока можно использовать для измерения силы тока?

• Почему из установленной на опыте пропорциональности между плотностью тока и напряженностью поля в проводнике следует вывод о существовании электрического сопротивления?

• Какие предположения используются при получении соотношения из закона Ома ?

• Установите связь между омом и единицей сопротивления в системе ГСЭ.

• С чем связана зависимость удельного сопротивления разных веществ от температуры?

• Объясните физические причины нелинейности вольт-амперной характеристики лампочки накаливания.

• Что такое дифференциальное сопротивление? Какой смысл имеют его отрицательные значения?

Источник



Что такое электрический ток?

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

  • к производственному цеху;
  • квартире;
  • на поле;
  • в шахту, под воду и т. д.

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Опыт с заряженными телами

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Электрофорная машина

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока – векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м 2 . Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

  1. Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
  2. квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
  3. Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
  4. Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Читайте также:  Usb адаптер переменного тока для наушников сони

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Электрический ток в металлах

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Электрический ток в газах

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

  • все благородные металлы;
  • медь;
  • алюминий;
  • олово;
  • свинец.

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Источник

Характеристики тока.

Электрический ток сейчас используют в каждом здании, зная характеристики тока в электросети дома, следует всегда помнить, что он опасен для жизни.

Электрический ток являет собой эффект направленного движения электрических зарядов (в газах — ионы и электроны, в металлах — электроны), под воздействием электрического поля.

Движение положительных зарядов по полю эквивалентно движению отрицательных зарядов против поля.

Обычно за направление электрического берут направление положительного заряда.

Далее мы рассмотрим такие характеристики тока, как:

  • мощность тока;
  • напряжение тока;
  • сила тока;
  • сопротивление тока.

Мощность тока.

Мощностью электрического тока называют отношение произведенной током работы ко времени, в течение которого была выполнена это работа.

Мощность, которую развивает электрический ток на участке цепи, прямо пропорциональна величине тока и напряжению на данном участке. Мощ­ность (элек­три­че­ская и ме­ха­ни­че­ская) из­ме­ря­ет­ся в Ват­тах (Вт).

Мощ­ность тока не за­ви­сит от вре­ме­ни про­те­ка­ния элек­три­че­ско­го тока в цепи, а опре­де­ля­ет­ся как про­из­ве­де­ние на­пря­же­ния на силу тока.

Напряжение тока.

Напряжением электрического тока называется величина, которая показывает, какую работу совершило электрическое поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение при этом в различных участках цепи будет отличаться.

К примеру: напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет намного больше, и величина напряжения будет зависеть от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула: U=A/q, где

  • U — напряжение,
  • A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Сила тока.

Силой тока называют количество заряженных частиц которые протекают через поперечное сечение проводника.

По определению сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Сила электрического тока измеряется прибором, который называется Амперметром. Величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Для увеличения диапазона обозначений единицы изменения существуют такие приставки кратности как микро — микроампер (мкА), мили – миллиампер (мА). Другие приставки в повседневном обиходе не используются. К примеру: говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в повседневной жизни не используются. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10-9 Ампер.

Сопротивление тока.

Электрическим сопротивлением называется физическая величина, которая характеризует свойства проводника, препятствующие прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиями импеданса и волнового сопротивления. Сопротивление тока (часто обозначается буквой R или r) считается сопротивление тока, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника. Под электрическим сопротивлением понимают отношение напряжения на концах проводника к силе тока, текущего по проводнику.

Условия возникновения электрического тока в проводящей среде:

1) присутствие свободных заряженных частиц;

2) если есть электрическое поле (присутствует разность потенциала между двумя точками проводника).

Виды воздействия электрического тока на проводящий материал.

1) химическое — изменение химического состава проводников (происходит в основном в электролитах);

2) тепловое — нагревается материал, по которому течет ток (в сверхпроводниках этот эффект отсутствует);

3) магнитное — появление магнитного поля (происходит у всех проводников).

Главные характеристики тока.

1. Сила тока обозначатся буквой I — она равна количеству электричества Q, проходящему через проводник за время t.

Сила тока определяется амперметром.

2. Напряжение U — равняется разности потенциалов на участке цепи.

Напряжение определяется вольтметром.

3. Сопротивление R проводящего материала.

а) от сечения проводника S, от его длины l и материала (обозначается удельным сопротивлением проводника ρ);

б) от температуры t°С (или Т): R = R0 (1 + αt),

  • где R0 – сопротивление проводника при 0°С,
  • α – температурный коэффициент сопротивления;

в) для получения различных эффектов, проводники могут соединяться как параллельно, так и последовательно.

Источник