Электрический ток, напряжение - это понятно даже ребенку! - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Кстати, не хочешь ответить на поп-викторину? Что происходит с электричеством, если величины потенциалов периодически меняются местами?

Содержание

Электрический ток, напряжение – это понятно даже ребенку!

Здравствуйте все, с вами снова Владимир Васильев. Новогодние праздники подходят к концу, а это значит, что нужно готовиться к будням, с чем я и поздравляю вас, мои дорогие друзья! Не расстраивайтесь и не впадайте в депрессию, просто думайте позитивно.

Вот почему в этот Новый год я задавался вопросом об аудитории своего блога: “Кто он? Кто тот человек, который посещает мой блог, который приходит каждый день, чтобы прочитать мои посты?”. Может быть, это какой-то умник, который с любопытством читает то, что я нацарапал? А может это какой-нибудь доктор радиотехники, заглянувший посмотреть, как паять схему мультивибратора ? ? ? ? ? .

Содержание статьи

Знаете, это маловероятно, потому что для опытного профессионала все уже позади и, скорее всего, им не так интересно и у них свои усы. Они могут заинтересоваться просто из праздного любопытства, конечно, я очень рад и жду всех с распростертыми объятиями.

Поэтому я пришел к выводу, что основной контент моего блога и большинства радиолюбительских сайтов – это новички и любители, ищущие в интернете полезную информацию. Так почему, черт возьми, у меня их так мало? Скоро будет больше, так что [urlspan]не пропустите! [/urlspan].

Я помню, как однажды искал в Интернете какую-нибудь простую схему, чтобы начать, но все время что-то было не так, что-то было слишком сложно. Мне не хватало основ, чтобы я мог начать понимать интересующий меня предмет от простого к сложному.

Кстати, первая книга, которая мне действительно помогла, от чтения которой действительно начало приходить понимание – это книга “Искусство схемотехники” П. Хоровица, В. Хилла. Я писал об этом в этой статье, там же можно скачать книгу. Если вы новичок, вам нужно скачать его и сделать своим учебником.

Начальное измерение покажет 1,5 вольта (вольт). Однако это не напряжение – значение указывает на величину электродвижущей силы.

Электрическое напряжение – это физическая величина, равная разности потенциалов между двумя точками в электрическом поле при движении единичного заряда. Для простых пользователей это не всегда легко понять. Поэтому в этой статье мы постараемся в простой, понятной форме объяснить, что такое электрическое напряжение, как его измеряют и зачем оно нужно.

Что такое разность потенциалов?

Давайте сначала проанализируем рисунок:

В первой бутылке вода находится на высоте 300 мм, а во второй – на высоте 150 мм. Разница между уровнями воды в двух контейнерах составляет 150 мм. Если посмотреть на это с точки зрения науки об электричестве, то это разность потенциалов.

Но что произойдет, если мы соединим две бутылки шлангом и поместим внутрь обычный пластиковый шарик?

Из школьного урока физики о принципе сообщающихся сосудов мы знаем, что из бутылки с более высоким уровнем воды жидкость будет постепенно перетекать в бутылку с более низким уровнем. Поток воды заставит шарик двигаться внутри соединительного шланга. Процесс переливания будет завершен, когда обе бутылки окажутся на одном уровне.

Другими словами, когда уровень жидкости в соединенных емкостях одинаков, результат разности потенциалов будет равен нулю. Шарик останется на месте под действием электродвижущей силы, которая, согласно эксперименту, равна нулю.

Что такое электродвижущая сила?

Как и в случае с напряжением, единицей измерения электродвижущей силы (ЭДС) является вольт.

Для следующего эксперимента вам понадобится вольтметр (прибор, измеряющий напряжение) и обычная батарейка.

Начальное измерение покажет 1,5 вольта (В). Однако это не напряжение – значение указывает на величину электродвижущей силы.

На следующем этапе эксперимента две лампочки подключаются к батарее. При этом напряжение измеряется на разных участках цепи.

Напряжение для одной лампочки составляет 1 В, а для другой – 0,3 В.

Напряжение используемых нами осветительных приборов напрямую связано с их мощностью, измеряемой в ваттах.

Мощность=напряжение*ток (P=U*I)

Из этого следует, что чем больше мощность лампочки, тем выше будет напряжение на ней.

Но как это работает: если 1,5 вольта батареи, к которой подключены лампочки, разделить на 1 вольт и 0,3 вольта, то куда делись лишние 0,2 вольта? Дело в том, что каждый аккумулятор имеет собственное внутреннее сопротивление, поэтому недостающие 0,2 вольта ушли туда.

Резюме

Электродвижущая сила определяется как физическая величина, характеризующая работу внешних источников энергии в источниках тока. С помощью электродвижущей силы мы можем определить, как заряд передается от источника тока по всей электрической цепи. Напряжение указывает на этот процесс только на определенном участке цепи. Проще говоря: напряжение – это внешняя сила, которая перемещает шарик в шланге, соединяющем сосуды в приведенном выше примере. В электричестве напряжение означает силу, которая позволяет электронам перемещаться между атомами.

Рассмотрим другой пример

Представьте, что вы можете поднять камень весом 40 кг. Это означает, что вы обладаете силой, равной 40 кг – в электротехнике это электродвижущая сила. Вы идете и по дороге натыкаетесь на камень весом 20 кг. Вы можете поднимать и переносить его на расстояние 10 метров. Для этого необходимо определенное количество энергии, которое в электричестве называется напряжением. Затем вы натыкаетесь на камень, который весит 30 кг. Поэтому для его перемещения с одного места на другое потребуется больше энергии, чем для камня весом не более 20 килограммов. Однако сила переноса (в электричестве – ЭДС), независимо от веса переносимого камня, всегда одинакова. Вес камня определяет количество энергии, которая расходуется на выполнение этого действия (в электричестве это определяется напряжением). Поэтому на каждом этапе пути вы будете ощущать разное напряжение, в зависимости от веса камня, который вы собираетесь нести.

Ток в зависимости от напряжения

Из приведенной выше формулы следует, что Ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален к сопротивлению. Другими словами, чем больше электрический ток, тем больше напряжение, и наоборот.

Считается, что электрический ток создается движением электронов внутри проводника, поэтому его называют током проводимости. Однако существует и другой тип электрического тока, который называется конвекционным. Он возникает при движении заряженных макротел, таких как капли дождя.

Напряжение условно обозначается буквой “U”. Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом, равна напряжению между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, выделяемая при переходе единицы заряда от высокого потенциала к низкому.

Напряжение также может называться разностью потенциалов или электродвижущей силой. Он измеряется в вольтах. Для переноса заряда в 1 кулон между двумя точками с напряжением в 1 вольт требуется совершить работу в 1 джоуль. Кулон – это мера электрического заряда. 1 Кулон равен заряду 6×10 18 электронов.

Напряжение делится на несколько типов, в зависимости от вида тока:

Постоянное напряжение. Он присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
Переменное напряжение. Этот тип напряжения присутствует в цепях с синусоидальным и переменным током. В случае синусоидальных токов характеристики напряжения, такие как:
— амплитуда колебания напряжения – это его максимальное отклонение от оси абсцисс;
– мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;
– эффективное напряжение, определяемое по активной работе, совершенной в 1-м полупериоде;
– Среднее выпрямленное напряжение, определяемое по модулю выпрямленного напряжения за период гармоник.

В воздушных линиях электропередачи конструкция опор и их размеры зависят от прикладываемого напряжения. Напряжение между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой фазой – фазным напряжением. Этот принцип применим ко всем типам воздушных линий. В российских национальных электрических сетях стандартным напряжением является трехфазное напряжение, с линейным напряжением 380 В и фазным напряжением 220 В.

Электрический ток

Ток в электрической цепи – это скорость электронов в данной точке, измеряется в амперах и обозначается на схемах буквой “I“. Используются также производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток в 1 ампер возникает при перемещении единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Принято считать, что ток в электрической цепи течет в направлении от положительного потенциала к отрицательному. Однако из физики мы знаем, что электрон движется в противоположном направлении.

Важно знать, что напряжение измеряется между двумя точками в цепи, в то время как ток протекает через одну конкретную точку в цепи или через один элемент цепи. Поэтому, если кто-то использует выражение “напряжение в сопротивлении”, то это неправильно и неграмотно. Однако часто под ним подразумевается напряжение в конкретной точке цепи. Оно относится к напряжению между землей и этой точкой.

Напряжение образуется при приложении напряжения к электрическим зарядам в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток образуется при приложении напряжения к двум точкам цепи.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, лучше использовать осциллограф. На осциллографе можно увидеть, как ток и напряжение изменяют свои значения с течением времени. На практике элементы электрической цепи соединяются проводниками. В определенных точках элементы схемы имеют свои собственные значения напряжения.

Ток и напряжение подчиняются своим собственным законам:

Сумма токов, втекающих в точку, равна сумме токов, вытекающих из этой точки (правило сохранения заряда). Таким правилом является закон Кирхгофа для тока. Текущая точка входа и выхода в этом случае называется узлом. Следствием этого закона является следующее утверждение: В последовательной цепи из группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
В цепи с параллельными элементами напряжение на всех элементах одинаково. Другими словами, сумма падений напряжения в замкнутой цепи равна нулю. Этот закон Кирхгофа применим к напряжениям.
Работа, совершаемая цепью в единицу времени (мощность), выражается следующим образом P = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа в 1 джоуль в секунду равна 1 ватту. Энергия рассеивается в виде тепла, используется для совершения механической работы (в электродвигателях), преобразуется в различные виды излучения и хранится в резервуарах или аккумуляторах. При проектировании сложной электрической системы одной из проблем является тепловая нагрузка на систему.

Характеристики электрического тока

Необходимым условием существования тока в электрической цепи является наличие замкнутой цепи. Если цепь разрывается, ток прекращается.

Это принцип, по которому работают все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь, перемещая механические контакты, и таким образом прекращают протекание тока, отключая устройство.

В электроэнергетике электричество вырабатывается внутри токопроводов, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других токопроводящих частей.

Существуют и другие способы получения внутреннего тока в:

Жидкости и газы благодаря движению заряженных ионов.
Дымоходы, газы и воздух путем теплового излучения.
Полупроводники – за счет движения носителей заряда.

Условия для образования электрического тока:

Нагрев проводников (не сверхпроводников).
Применение разности потенциалов к носителям заряда.
Химическая реакция с выделением новых веществ.
Влияние магнитного поля на проводник.

Формы тока:

Прямая линия.
Переменная гармоника синусоидальной волны.
Меандр, похожий на синусоиду, но с острыми углами (иногда углы можно сгладить).
Пульсирующая форма с одним направлением, амплитуда которой колеблется от нуля до наибольшей величины по какому-либо закону.

Виды действия электрического тока:

Световое излучение, создаваемое осветительными приборами.
Выделение тепла нагревательными элементами.
Механическая работа (вращение электродвигателей, работа других электрических устройств).
Создание электромагнитного излучения.

Негативные явления, вызванные электрическим током:

Перегрев контактов и токоведущих частей.
Создание вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Проектировщики электрооборудования и электрических цепей должны учитывать вышеуказанные свойства электрического тока в своих проектах. Например, разрушительное воздействие вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах уменьшается путем продувки сердечников, по которым проходят магнитные токи. Сердечник изготовлен не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Однако, с другой стороны, вихревые токи используются для работы микроволновых печей, то есть печей, работающих по принципу магнитной индукции. Таким образом, можно сказать, что вихревые токи не только вредны, но и полезны.

Переменные токи с синусоидальным сигналом могут отличаться частотой колебаний в единицу времени. В нашей стране частота промышленного тока электроприборов является стандартной и составляет 50 герц. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Различные значения частоты используются для различных целей в электро- и радиотехнике:

Низкочастотные сигналы с меньшим значением частоты тока.
Высокочастотные сигналы, которые намного превышают текущую частоту, используемую в промышленности.

Электрический ток в металлах

Движение электронов под действием постоянной силы сравнивают с падением парашюта на землю. В этих двух случаях мы имеем дело с равномерным движением. На парашютиста действует сила тяжести и противодействует сопротивление воздуха. На движение электронов влияет сила электрического поля, а ионы решетки кристаллов сопротивляются этому движению. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, подобно скорости парашюта.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона составляет 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока – около 300 000 км в секунду. Это происходит потому, что электрический ток течет только тогда, когда к заряженным частицам приложено напряжение. Это приводит к высокой скорости протекания тока.

Когда электроны движутся в кристаллической решетке, возникает следующая картина. Электроны сталкиваются не со всеми сталкивающимися ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упростить следующим образом.

Движению электронов препятствуют крупные ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы “колеблются”, увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность кристаллической решетки проводника. Поэтому при нагревании металлов их сопротивление всегда увеличивается. При снижении температуры электропроводность увеличивается. Когда температура металла понижается до абсолютного нуля, достигается эффект сверхпроводимости.

Мощность – это количество энергии, передаваемой в единицу времени. Передаваемая электрическая энергия обычно преобразуется оконечным оборудованием в другие формы: тепло, свет, звук и т.д. Единицей измерения мощности является ватт. Мощность P рассчитывается по формуле:

Источники энергии

Когда электричество проходит через цепь, оно расходуется: часть его используется для выполнения полезной работы, часть теряется в виде тепла. Чтобы устройство работало непрерывно, необходима сила, поддерживающая напряжение, приложенное к цепи. Это известно как ЭМП. ЭМП (электродвижущая сила, ЭДС), и генерируется источниками энергии. Примерами компонентов с ЭМП являются: обычные батареи, солнечные элементы, трансформаторы в источнике питания, моторчик хомячка в колесе.

В схемах источник питания может быть указан либо явно, собственным символом, либо неявно: нулевой контакт входного напряжения и земля указываются без подчеркивания того, откуда поступает питание. Следовательно, следующие схемы эквивалентны:

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. Только в 1600 году английский натуралист Уильям Гилберт в своей работе “О магните, магнитных телах и великом магните – Земле” ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои эксперименты с наэлектризованными предметами и пришел к выводу, что другие вещества также могут электризоваться.

Сопротивление

Электрическое сопротивление – Физическая величина, описывающая свойство проводника сопротивляться протеканию тока. Единица сопротивления – это ом (упоминается как ом или греческая буква омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается через R. Проводник с сопротивлением 1 Ом, к его полюсам приложено напряжение 1 В и течет ток 1 А.

Проводники проводят электричество по-разному. Их проводимость зависит в первую очередь от материала, из которого изготовлен проводник, а также от его сечения и длины. Чем больше поперечное сечение, тем выше проводимость, но чем больше длина, тем ниже проводимость. Сопротивление является обратной величиной проводимости.

Используя в качестве примера модель водопроводной трубы, сопротивление можно понимать как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагревании проводника при прохождении через него тока. Чем больше ток и чем меньше сечение проводника, тем больше нагрев.

В прошлом напряжение называлось электродвижущая сила (emf). Поэтому во многих уравнениях, например, в законе Ома, напряжение обозначается символом E.

Зачем измерять напряжение

В большинстве случаев технические специалисты знают, как должна работать цепь, когда проводят проверку.

Цепи используются для передачи энергии к нагрузкам: от небольших приборов и бытовой техники до промышленных двигателей. Нагрузки часто имеют заводскую табличку, на которой указаны справочные значения стандартных электрических параметров, включая напряжение и ток. Вместо заводской таблички некоторые производители предоставляют подробную схему (техническую схему) всех цепей нагрузки. Стандартные значения можно найти в руководствах.

Имея эти значения, техник знает, каких показаний следует ожидать при нормальной работе с нагрузкой. Показания цифрового мультиметра позволяют объективно определить отклонения от нормальной работы. Тем не менее, техник должен руководствоваться знаниями и опытом, чтобы определить причины таких отклонений.

Справка: Принципы работы цифрового мультиметра Глен А. Мазур, Американское техническое издательство.

Читайте далее: