Szarża w ruchu. Może to przybrać formę nagłego wyładowania elektryczności statycznej, takiej jak piorun. Lub może to być kontrolowany proces w generatorach, bateriach, ogniwach słonecznych lub paliwowych. Dzisiaj rozważymy samą koncepcję „prądu elektrycznego” i warunki istnienia prądu elektrycznego.

Energia elektryczna

Większość zużywanej przez nas energii elektrycznej pochodzi z prądu przemiennego z sieci elektrycznej. Tworzą go generatory, które działają zgodnie z prawem indukcji Faradaya, dzięki czemu zmieniające się pole magnetyczne może indukować prąd elektryczny w przewodniku.

Generatory mają wirujące zwoje drutu, które przechodzą przez pola magnetyczne podczas wirowania. Gdy cewki obracają się, otwierają się i zamykają względem pola magnetycznego i wytwarzają prąd elektryczny, który zmienia kierunek z każdym obrotem. Prąd przepływa przez pełny cykl tam iz powrotem 60 razy na sekundę.

Generatory mogą być zasilane przez turbiny parowe ogrzewane węglem, gazem ziemnym, ropą lub reaktor jądrowy. Z generatora prąd przepływa przez szereg transformatorów, gdzie wzrasta jego napięcie. Średnica przewodów określa ilość i natężenie prądu, jaki mogą przenosić bez przegrzewania i marnowania energii, a napięcie jest ograniczone jedynie tym, jak dobrze linie są izolowane od ziemi.

Warto zauważyć, że prąd jest przenoszony tylko przez jeden przewód, a nie przez dwa. Jego dwie strony są oznaczone jako pozytywna i negatywna. Ponieważ jednak polaryzacja prądu przemiennego zmienia się 60 razy na sekundę, mają one inne nazwy - gorące (główne linie energetyczne) i uziemione (przechodzące pod ziemią w celu zakończenia obwodu).

Dlaczego potrzebny jest prąd?

Energia elektryczna ma wiele zastosowań: może oświetlić dom, wyprać i wysuszyć ubrania, podnieść bramę garażową, zagotować wodę w czajniku i zasilić inne artykuły gospodarstwa domowego, które znacznie ułatwiają nam życie. Jednak coraz ważniejsza staje się zdolność prądu do przesyłania informacji.

Komputer podłączony do Internetu zużywa tylko niewielką część prądu elektrycznego, ale jest to coś, bez czego współczesny człowiek nie wyobraża sobie życia.

Pojęcie prądu elektrycznego

Podobnie jak prąd rzeki, strumień cząsteczek wody, prąd elektryczny jest strumieniem naładowanych cząstek. Co to powoduje i dlaczego nie zawsze idzie w tym samym kierunku? Kiedy słyszysz słowo flow, o czym myślisz? Może będzie to rzeka. To dobre skojarzenie, bo stąd nazwa prądu elektrycznego. Jest bardzo podobny do przepływu wody, tylko zamiast cząsteczek wody poruszających się wzdłuż kanału, wzdłuż przewodnika poruszają się naładowane cząsteczki.

Wśród warunków niezbędnych do istnienia prądu elektrycznego znajduje się element, który zapewnia obecność elektronów. Atomy w materiale przewodzącym mają wiele takich wolnych, naładowanych cząstek, które unoszą się wokół atomów i między nimi. Ich ruch jest przypadkowy, więc nie ma przepływu w żadnym kierunku. Co jest potrzebne do istnienia prądu elektrycznego?

Warunkiem istnienia prądu elektrycznego jest obecność napięcia. Kiedy zostanie przyłożony do przewodnika, wszystkie wolne elektrony będą poruszać się w tym samym kierunku, tworząc prąd.

Ciekawy prądu elektrycznego

Co ciekawe, gdy energia elektryczna jest przesyłana przez przewodnik z prędkością światła, same elektrony poruszają się znacznie wolniej. W rzeczywistości, gdybyś szedł spokojnie obok przewodu przewodzącego, twoja prędkość byłaby 100 razy większa niż elektronów. Wynika to z faktu, że nie muszą pokonywać ogromnych odległości, aby przekazywać sobie energię.

Prąd stały i przemienny

Obecnie szeroko stosowane są dwa różne rodzaje prądu - bezpośredni i przemienny. W pierwszym elektrony poruszają się w jednym kierunku, od strony "ujemnej" do strony "dodatniej". Prąd przemienny popycha elektrony tam iz powrotem, zmieniając kierunek przepływu kilka razy na sekundę.

Generatory wykorzystywane w elektrowniach do produkcji energii elektrycznej są przeznaczone do wytwarzania prądu przemiennego. Prawdopodobnie nigdy nie zauważyłeś, że światło w twoim domu faktycznie migocze, gdy zmienia się kierunek, ale dzieje się to zbyt szybko, aby oczy mogły to rozpoznać.

Jakie są warunki istnienia stałego prądu elektrycznego? Dlaczego potrzebujemy obu typów i który z nich jest lepszy? To są dobre pytania. Fakt, że nadal używamy obu rodzajów prądu, sugeruje, że oba służą do określonych celów. Już w XIX wieku było jasne, że sprawne przesyłanie energii na duże odległości między elektrownią a domem jest możliwe tylko przy bardzo wysokich napięciach. Problem polegał jednak na tym, że wysyłanie naprawdę wysokiego napięcia było niezwykle niebezpieczne dla ludzi.

Rozwiązaniem tego problemu było zmniejszenie stresu poza domem przed wysłaniem go do środka. Do dziś do przesyłania na duże odległości wykorzystywany jest stały prąd elektryczny, głównie ze względu na jego zdolność do łatwego przekształcania na inne napięcia.

Jak działa prąd elektryczny

Warunkiem istnienia prądu elektrycznego jest obecność naładowanych cząstek, przewodnika i napięcia. Wielu naukowców badało elektryczność i odkryło, że istnieją dwa jej rodzaje: statyczne i prądowe.

Jest to drugi, który odgrywa ogromną rolę w codziennym życiu każdej osoby, ponieważ jest to prąd elektryczny, który przepływa przez obwód. Używamy go codziennie do zasilania naszych domów i nie tylko.

Co to jest prąd elektryczny?

Gdy ładunki elektryczne krążą w obwodzie z jednego miejsca do drugiego, generowany jest prąd elektryczny. Warunkiem istnienia prądu elektrycznego jest, oprócz naładowanych cząstek, obecność przewodnika. Najczęściej jest to drut. Jego obwód jest obwodem zamkniętym, w którym prąd płynie ze źródła zasilania. Kiedy obwód jest otwarty, nie może ukończyć podróży. Na przykład, gdy światło w twoim pokoju jest wyłączone, obwód jest otwarty, ale gdy obwód jest zamknięty, światło jest włączone.

Aktualna moc

Na warunki istnienia prądu elektrycznego w przewodniku duży wpływ ma taka charakterystyka napięcia jak moc. Jest to miara zużycia energii w danym okresie.

Istnieje wiele różnych jednostek, których można użyć do wyrażenia tej cechy. Jednak moc elektryczną mierzy się prawie w watach. Jeden wat to jeden dżul na sekundę.

Ładunek elektryczny w ruchu

Jakie są warunki istnienia prądu elektrycznego? Może to przybrać formę nagłego wyładowania elektryczności statycznej, takiej jak błyskawica lub iskra od ocierania się o wełnianą tkaninę. Częściej jednak, gdy mówimy o prądzie elektrycznym, mamy na myśli bardziej kontrolowaną formę elektryczności, która sprawia, że ​​działają światła i urządzenia. Większość ładunku elektrycznego jest przenoszona przez ujemne elektrony i dodatnie protony w atomie. Te ostatnie są jednak w większości unieruchomione wewnątrz jąder atomowych, więc pracę polegającą na przenoszeniu ładunku z jednego miejsca na drugie wykonują elektrony.

Elektrony w materiale przewodzącym, takim jak metal, w dużej mierze mogą swobodnie przemieszczać się od jednego atomu do drugiego wzdłuż pasm przewodnictwa, które są wyższymi orbitami elektronów. Wystarczająca siła elektromotoryczna lub napięcie tworzy nierównowagę ładunku, która może powodować przemieszczanie się elektronów przez przewodnik w postaci prądu elektrycznego.

Jeśli narysujemy analogię z wodą, weźmy na przykład fajkę. Kiedy otwieramy zawór na jednym końcu, aby woda dostała się do rury, nie musimy czekać, aż ta woda przepłynie aż do końca rury. Na drugim końcu dostajemy wodę niemal natychmiast, ponieważ dopływająca woda popycha wodę, która jest już w rurze. Tak dzieje się w przypadku prądu elektrycznego w przewodzie.

Prąd elektryczny: warunki istnienia prądu elektrycznego

Prąd elektryczny jest zwykle postrzegany jako przepływ elektronów. Kiedy dwa końce baterii są połączone ze sobą metalowym drutem, ta naładowana masa przepływa przez drut z jednego końca (elektrody lub bieguna) baterii do przeciwnego. Nazwijmy więc warunki istnienia prądu elektrycznego:

1. naładowane cząstki.
2. Konduktor.
3. Źródło napięcia.

Jednak nie wszystko jest takie proste. Jakie warunki są niezbędne do istnienia prądu elektrycznego? Na to pytanie można odpowiedzieć bardziej szczegółowo, biorąc pod uwagę następujące cechy:

• Różnica potencjałów (napięcie). To jeden z warunków wstępnych. Pomiędzy tymi dwoma punktami musi istnieć różnica potencjałów, co oznacza, że ​​siła odpychania wytworzona przez naładowane cząstki w jednym miejscu musi być większa niż ich siła w innym punkcie. Źródła napięcia z reguły nie występują w przyrodzie, a elektrony są rozmieszczone dość równomiernie w środowisku. Niemniej jednak naukowcom udało się wynaleźć pewne rodzaje urządzeń, w których te naładowane cząstki mogą się gromadzić, tworząc w ten sposób bardzo potrzebne napięcie (na przykład w bateriach).
• Opór elektryczny (przewodnik). Jest to drugi ważny warunek niezbędny do istnienia prądu elektrycznego. Jest to droga, po której poruszają się naładowane cząstki. Tylko te materiały, które umożliwiają swobodny ruch elektronów, działają jako przewodniki. Ci, którzy nie mają tej zdolności, nazywani są izolatorami. Na przykład drut metalowy będzie doskonałym przewodnikiem, a jego gumowa osłona będzie doskonałym izolatorem.

Po dokładnym przestudiowaniu warunków pojawienia się i istnienia prądu elektrycznego, ludzie byli w stanie okiełznać ten potężny i niebezpieczny element i skierować go z korzyścią dla ludzkości.

Jeżeli izolowany przewodnik zostanie umieszczony w polu elektrycznym \(\overrightarrow(E)\), to siła \(\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)\) będzie działać na wolne ładunki \(q\) w konduktorze, w wyniku czego, konduktor, następuje krótkotrwały ruch darmowych opłat. Proces ten zakończy się, gdy własne pole elektryczne ładunków powstałych na powierzchni przewodnika całkowicie skompensuje pole zewnętrzne. Wynikowe pole elektrostatyczne wewnątrz przewodnika będzie wynosić zero.

Jednak w przewodnikach, w określonych warunkach, może wystąpić ciągły uporządkowany ruch nośników swobodnego ładunku elektrycznego.

Ukierunkowany ruch naładowanych cząstek nazywa się prądem elektrycznym.

Za kierunek prądu elektrycznego przyjmuje się kierunek ruchu dodatnich ładunków swobodnych. Aby w przewodniku istniał prąd elektryczny, konieczne jest wytworzenie w nim pola elektrycznego.

Ilościowa miara prądu elektrycznego to aktualna siła\(I\) jest skalarną wielkością fizyczną równą stosunkowi ładunku \(\Delta q\) przeniesionego przez przekrój przewodu (ryc. 1.8.1) w przedziale czasu \(\Delta t\) , do tego przedziału czasowego:

$$I = \frac(\Delta q)(\Delta t) $$

Jeśli siła prądu i jego kierunek nie zmieniają się z czasem, wówczas taki prąd nazywa się stały .

W Międzynarodowym Układzie Jednostek SI prąd jest mierzony w amperach (A). Jednostka prądu 1 A jest ustawiana przez oddziaływanie magnetyczne dwóch równoległych przewodów z prądem.

Stały prąd elektryczny może być generowany tylko w zamknięty obwód , w którym przewoźnicy bezpłatnych opłat krążą po zamkniętych ścieżkach. Pole elektryczne w różnych punktach takiego obwodu jest stałe w czasie. W konsekwencji pole elektryczne w obwodzie prądu stałego ma charakter zamrożonego pola elektrostatycznego. Ale podczas przesuwania ładunku elektrycznego w polu elektrostatycznym po zamkniętej ścieżce praca sił elektrycznych wynosi zero. Dlatego do istnienia prądu stałego konieczne jest posiadanie w obwodzie elektrycznym urządzenia, które może tworzyć i utrzymywać różnice potencjałów na odcinkach obwodu w wyniku działania sił pochodzenie nieelektrostatyczne. Takie urządzenia nazywają się źródła prądu stałego . Siły pochodzenia nieelektrostatycznego działające na nośniki ładunków swobodnych ze źródeł prądowych nazywamy siły zewnętrzne .

Charakter sił zewnętrznych może być inny. W ogniwach galwanicznych lub akumulatorach powstają one w wyniku procesów elektrochemicznych, w generatorach prądu stałego powstają siły zewnętrzne, gdy przewodniki poruszają się w polu magnetycznym. Źródło prądu w obwodzie elektrycznym pełni taką samą rolę jak pompa, która jest niezbędna do pompowania płynu w zamkniętym układzie hydraulicznym. Pod wpływem sił zewnętrznych ładunki elektryczne przemieszczają się wewnątrz źródła prądu przeciwko siły pola elektrostatycznego, dzięki którym można utrzymać stały prąd elektryczny w obwodzie zamkniętym.

Gdy ładunki elektryczne poruszają się po obwodzie prądu stałego, działają siły zewnętrzne działające wewnątrz źródeł prądu.

Nazywana jest wielkość fizyczna równa stosunkowi pracy \ (A_ (st) \) sił zewnętrznych, gdy ładunek \ (q \) przesuwa się z ujemnego bieguna źródła prądu do dodatniego do wartości tego ładunku źródło siły elektromotorycznej (EMF):

$$EMF=\varepsilon=\frac(A_(st))(q). $$

W ten sposób pole elektromagnetyczne jest określane przez pracę wykonaną przez siły zewnętrzne podczas przesuwania pojedynczego ładunku dodatniego. Siłę elektromotoryczną, podobnie jak różnicę potencjałów, mierzy się w Wolty (V).

Gdy pojedynczy ładunek dodatni porusza się po zamkniętym obwodzie prądu stałego, praca sił zewnętrznych jest równa sumie pola elektromagnetycznego działającego w tym obwodzie, a praca pola elektrostatycznego wynosi zero.

Obwód prądu stałego można podzielić na osobne sekcje. Te odcinki, na które nie działają siły zewnętrzne (tj. Odcinki, które nie zawierają źródeł prądu) są nazywane jednorodny . Obszary, które obejmują źródła prądowe, nazywane są heterogeniczny .

Kiedy jednostkowy ładunek dodatni porusza się wzdłuż pewnego odcinka obwodu, działają zarówno siły elektrostatyczne (kulombowskie), jak i zewnętrzne. Praca sił elektrostatycznych jest równa różnicy potencjałów \(\Delta \phi_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)\) między początkowym (1) i końcowym (2) punktem przekroju niejednorodnego . Praca sił zewnętrznych to z definicji siła elektromotoryczna \(\mathcal(E)\) działająca na ten odcinek. Więc cała praca jest

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E)$$

wartość U 12 nazywa się Napięcie na odcinku łańcucha 1-2. W przypadku odcinka jednorodnego napięcie jest równe różnicy potencjałów:

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)$$

Niemiecki fizyk G. Ohm w 1826 roku eksperymentalnie ustalił, że siła prądu \ (I \) przepływającego przez jednorodny metalowy przewodnik (tj. Przewodnik, w którym nie działają żadne siły zewnętrzne) jest proporcjonalna do napięcia \ (U \) w końce przewodu :

$$I = \frac(1)(R)U; \: U = IR$$

gdzie \(R\) = const.

wartość R nazywa opór elektryczny . Nazywa się przewodnik o oporności elektrycznej rezystor . Ten stosunek wyraża Prawo Ohma dla jednorodny odcinek łańcucha: Prąd w przewodniku jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji przewodnika.

W SI jednostką rezystancji elektrycznej przewodników jest Om (Om). Rezystancja 1 oma ma odcinek obwodu, w którym przy napięciu 1 V występuje prąd 1 A.

Przewodniki, które przestrzegają prawa Ohma, nazywane są liniowy . Graficzna zależność aktualnej siły \ (I \) od napięcia \ (U \) (takie wykresy są nazywane charakterystyka woltamperowa , w skrócie VAC) jest reprezentowana przez linię prostą przechodzącą przez początek. Należy zauważyć, że istnieje wiele materiałów i urządzeń, które nie przestrzegają prawa Ohma, jak np. dioda półprzewodnikowa czy lampa wyładowcza. Nawet w przypadku przewodników metalowych przy prądach o wystarczająco dużej wytrzymałości obserwuje się odchylenie od liniowego prawa Ohma, ponieważ opór elektryczny przewodników metalowych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

W przypadku sekcji obwodu zawierającej pole elektromagnetyczne prawo Ohma jest zapisane w następującej postaci:

$$IR = U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E) = \Delta \phi_(12) + \mathcal(E)$$
$$\kolor(niebieski)(I = \frac(U)(R))$$

Ten stosunek nazywa się uogólnione prawo Ohma lub Prawo Ohma dla niejednorodnego odcinka łańcucha.

Na ryc. 1.8.2 pokazuje zamknięty obwód DC. Sekcja łańcucha ( płyta CD) jest jednorodna.

Rysunek 1.8.2. Obwód prądu stałego

Prawo Ohma

$$IR = \Delta\phi_(cd)$$

Intrygować ( ab) zawiera bieżące źródło z polem elektromagnetycznym równym \(\mathcal(E)\).

Zgodnie z prawem Ohma dla obszaru niejednorodnego,

$$Ir = \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

Dodając obie równości otrzymujemy:

$$I(R+r) = \Delta\phi_(cd) + \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

Ale \(\Delta\phi_(cd) = \Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab)\).

$$\kolor(niebieski)(I=\frac(\mathcal(E))(R + r))$$

Ta formuła wyraża Prawo Ohma dla pełnego obwodu : natężenie prądu w całym obwodzie jest równe sile elektromotorycznej źródła podzielonej przez sumę rezystancji jednorodnych i niejednorodnych odcinków obwodu (rezystancja źródła wewnętrznego).

Opór r obszar niejednorodny na ryc. 1.8.2 może być postrzegany jako rezystancja wewnętrzna źródła prądu . W tym przypadku fabuła ( ab) na ryc. 1.8.2 to wewnętrzna sekcja źródła. Jeśli punkty a oraz b blisko przewodnika, którego rezystancja jest niewielka w porównaniu z rezystancją wewnętrzną źródła (\ (R\ \ll r\)), wtedy obwód będzie płynął prąd zwarcia

$$I_(kz)=\frac(\mathcal(E))(r)$$

Prąd zwarciowy to maksymalny prąd, jaki można uzyskać z danego źródła przy sile elektromotorycznej \(\mathcal(E)\) i rezystancji wewnętrznej \(r\). W przypadku źródeł o niskiej rezystancji wewnętrznej prąd zwarciowy może być bardzo duży i spowodować zniszczenie obwodu elektrycznego lub źródła. Na przykład akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w samochodach mogą mieć prąd zwarciowy rzędu kilkuset amperów. Szczególnie niebezpieczne są zwarcia w sieciach oświetleniowych zasilanych z podstacji (tysiące amperów). Aby uniknąć destrukcyjnego działania tak wysokich prądów, w obwodzie znajdują się bezpieczniki lub specjalne wyłączniki.

W niektórych przypadkach, aby zapobiec niebezpiecznym wartościom prądu zwarciowego, pewna rezystancja zewnętrzna jest podłączona szeregowo do źródła. Następnie opór r jest równa sumie rezystancji wewnętrznej źródła i rezystancji zewnętrznej, a w przypadku zwarcia natężenie prądu nie będzie nadmiernie duże.

Jeśli obwód zewnętrzny jest otwarty, to \(\Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab) = \mathcal(E)\), czyli różnica potencjałów na biegunach otwartej baterii jest równa jego pole elektromagnetyczne.

Jeśli zewnętrzna rezystancja obciążenia R włączony i prąd płynie przez akumulator I, różnica potencjałów na jego biegunach staje się równa

$$\Delta \phi_(ba) = \mathcal(E) - Ir$$

Na ryc. 1.8.3 to schematyczne przedstawienie źródła prądu stałego o sile elektromagnetycznej równej \(\mathcal(E)\) i rezystancji wewnętrznej r w trzech trybach: „idle”, praca pod obciążeniem i tryb zwarcia (zwarcie). Intensywność \(\overrightarrow(E)\) pola elektrycznego wewnątrz baterii i siły działające na ładunki dodatnie są wskazane: \(\overrightarrow(F)_(e)\) - siła elektryczna i \(\overrightarrow( F)_(st )\) jest siłą zewnętrzną. W trybie zwarcia znika pole elektryczne wewnątrz akumulatora.

Do pomiaru napięć i prądów w obwodach elektrycznych prądu stałego stosuje się specjalne urządzenia - woltomierze oraz amperomierze.

Woltomierz przeznaczony do pomiaru różnicy potencjałów zastosowanej do jego zacisków. On łączy równoległy odcinek obwodu, na którym dokonywany jest pomiar różnicy potencjałów. Każdy woltomierz ma pewną rezystancję wewnętrzną \(R_(V)\). Aby woltomierz nie wprowadzał zauważalnej redystrybucji prądów po podłączeniu do mierzonego obwodu, jego rezystancja wewnętrzna musi być duża w porównaniu z rezystancją odcinka obwodu, do którego jest podłączony. Dla obwodu pokazanego na ryc. 1.8.4 warunek ten jest zapisany jako:

$$R_(B) \gg R_(1)$$

Warunek ten oznacza, że ​​prąd \(I_(V) = \Delta \phi_(cd) / R_(V)\) przepływający przez woltomierz jest znacznie mniejszy niż prąd \(I = \Delta \phi_(cd) / R_ (1 )\), który przepływa przez badany odcinek obwodu.

Ponieważ wewnątrz woltomierza nie działają żadne siły zewnętrzne, różnica potencjałów na jego zaciskach z definicji pokrywa się z napięciem. Dlatego możemy powiedzieć, że woltomierz mierzy napięcie.

Amperomierz przeznaczony do pomiaru prądu w obwodzie. Amperomierz jest połączony szeregowo z przerwą w obwodzie elektrycznym, dzięki czemu przepływa przez niego cały mierzony prąd. Amperomierz ma również pewną rezystancję wewnętrzną \(R_(A)\). W przeciwieństwie do woltomierza, rezystancja wewnętrzna amperomierza musi być wystarczająco mała w porównaniu z całkowitą rezystancją całego obwodu. Dla obwodu na ryc. 1.8.4 rezystancja amperomierza musi spełniać warunek

$$R_(A) \ll (r + R_(1) + R(2))$$

aby po włączeniu amperomierza prąd w obwodzie się nie zmieniał.

Przyrządy pomiarowe - woltomierze i amperomierze - są dwojakiego rodzaju: wskaźnikowe (analogowe) i cyfrowe. Cyfrowe liczniki elektryczne to złożone urządzenia elektroniczne. Zwykle przyrządy cyfrowe zapewniają wyższą dokładność pomiaru.

Bez pewnej wstępnej wiedzy na temat elektryczności trudno sobie wyobrazić, jak działają urządzenia elektryczne, dlaczego w ogóle działają, dlaczego trzeba podłączyć telewizor, aby działał, a wystarczy mała bateria, aby latarka świeciła w ciemny.

I tak zrozumiemy wszystko w porządku.

Elektryczność

Elektryczność- To naturalne zjawisko, które potwierdza istnienie, oddziaływanie i ruch ładunków elektrycznych. Elektryczność po raz pierwszy odkryto już w VII wieku p.n.e. Grecki filozof Thales. Thales zwrócił uwagę na to, że jeśli kawałek bursztynu ociera się o wełnę, to zaczyna przyciągać do siebie lekkie przedmioty. Bursztyn w starożytnej grece - elektron.

Tak wyobrażam sobie Talesa siedzącego, ocierającego się kawałkiem bursztynu o swój himation (to wełniane okrycie wierzchnie starożytnych Greków), a potem ze zdumionym spojrzeniem przygląda się włosom, skrawkom nici, piórom i skrawkom papieru przyciąga bursztyn.

Zjawisko to nazywa się elektryczność statyczna. Możesz powtórzyć to doświadczenie. Aby to zrobić, dokładnie przetrzyj zwykłą plastikową linijkę wełnianą szmatką i przenieś ją na małe kawałki papieru.

Należy zauważyć, że zjawisko to nie było badane od dawna. Dopiero w 1600 roku angielski przyrodnik William Gilbert w swoim eseju „O magnesie, ciałach magnetycznych i wielkim magnesie – Ziemi” wprowadził termin – elektryczność. W swojej pracy opisał swoje eksperymenty z naelektryzowanymi przedmiotami, a także ustalił, że inne substancje mogą zostać naelektryzowane.

Następnie przez trzy wieki najbardziej zaawansowani naukowcy świata badali elektryczność, pisali traktaty, formułowali prawa, wymyślali maszyny elektryczne i dopiero w 1897 roku Joseph Thomson odkrywa pierwszy materialny nośnik elektryczności – elektron, cząstkę, dzięki do których możliwe są procesy elektryczne w substancjach.

Elektron jest cząstką elementarną, ma ładunek ujemny w przybliżeniu równy -1,602 10 -19 Cl (wisiorek). Oznaczone mi lub e-.

Napięcie

Aby naładowane cząstki przemieszczały się z jednego bieguna na drugi, konieczne jest tworzenie między biegunami potencjalna różnica lub - Napięcie. Jednostka napięcia - Wolt (W lub V). We wzorach i obliczeniach stres jest oznaczony literą V . Aby uzyskać napięcie 1 V, musisz przenieść ładunek 1 C między biegunami, wykonując pracę 1 J (dżul).

Dla jasności wyobraź sobie zbiornik z wodą znajdujący się na określonej wysokości. Ze zbiornika wychodzi rura. Woda pod naturalnym ciśnieniem opuszcza zbiornik rurą. Umówmy się, że woda jest ładunek elektryczny, wysokość słupa wody (ciśnienie) wynosi Napięcie, a natężenie przepływu wody wynosi Elektryczność.

Zatem im więcej wody w zbiorniku, tym wyższe ciśnienie. Podobnie z elektrycznego punktu widzenia im większy ładunek, tym wyższe napięcie.

Zaczynamy spuszczać wodę, a ciśnienie spada. Tych. spada poziom naładowania - spada wartość napięcia. Zjawisko to można zaobserwować w latarce, żarówka świeci słabiej w miarę wyczerpywania się baterii. Zauważ, że im niższe ciśnienie wody (napięcie), tym mniejszy przepływ wody (prąd).

Elektryczność

Elektryczność- jest to fizyczny proces ukierunkowanego ruchu naładowanych cząstek pod wpływem pola elektromagnetycznego z jednego bieguna zamkniętego obwodu elektrycznego do drugiego. Cząstkami przenoszącymi ładunki mogą być elektrony, protony, jony i dziury. W przypadku braku obwodu zamkniętego prąd nie jest możliwy. Cząstki zdolne do przenoszenia ładunków elektrycznych nie występują we wszystkich substancjach, te, w których występują, nazywane są przewodniki oraz półprzewodniki. I substancje, w których nie ma takich cząstek - dielektryki.

Jednostka miary natężenia prądu - Amper (ALE). We wzorach i obliczeniach aktualna siła jest oznaczona literą I . Prąd o natężeniu 1 ampera powstaje, gdy ładunek 1 kulomba (6,241 · 10 18 elektronów) przechodzi przez punkt w obwodzie elektrycznym w ciągu 1 sekundy.

Wróćmy do naszej analogii woda-elektryczność. Dopiero teraz weźmy dwa zbiorniki i napełnijmy je równą ilością wody. Różnica między zbiornikami tkwi w średnicy rury wylotowej.

Otwórzmy krany i upewnijmy się, że przepływ wody z lewego zbiornika jest większy (średnica rury jest większa) niż z prawego. To doświadczenie jest wyraźnym dowodem zależności natężenia przepływu od średnicy rury. Spróbujmy teraz wyrównać oba strumienie. Aby to zrobić, dodaj wodę do odpowiedniego zbiornika (ładowanie). To da większe ciśnienie (napięcie) i zwiększy natężenie przepływu (prąd). W obwodzie elektrycznym średnica rury wynosi opór.

Przeprowadzone eksperymenty wyraźnie pokazują związek między Napięcie, obecny oraz opór. O oporze porozmawiamy nieco później, a teraz jeszcze kilka słów o właściwościach prądu elektrycznego.

Jeśli napięcie nie zmienia swojej polaryzacji, plus na minus, a prąd płynie w jednym kierunku, to jest Waszyngton i odpowiednio stałe ciśnienie. Jeśli źródło napięcia zmienia swoją polaryzację, a prąd płynie w jednym kierunku, to w drugim - to już jest prąd przemienny oraz Napięcie AC. Wartości maksymalne i minimalne (zaznaczone na wykresie jako ja ) - to jest amplituda lub prądy szczytowe. W gniazdkach domowych napięcie zmienia swoją polaryzację 50 razy na sekundę, tj. prąd oscyluje tam iz powrotem, okazuje się, że częstotliwość tych oscylacji wynosi 50 Hz, w skrócie 50 Hz. W niektórych krajach, takich jak USA, częstotliwość wynosi 60 Hz.

Opór

Opór elektryczny- wielkość fizyczna, która określa właściwość przewodnika w celu zapobiegania (odporności) na przepływ prądu. Jednostka oporu - Om(oznaczony Om lub grecka litera omega Ω ). We wzorach i obliczeniach opór jest oznaczony literą R . Przewodnik ma rezystancję 1 oma, do którego biegunów przykładane jest napięcie 1 V i płynie prąd 1 A.

Przewodniki przewodzą prąd inaczej. Ich przewodność zależy przede wszystkim od materiału przewodnika, a także od przekroju i długości. Im większy przekrój, tym wyższa przewodność, ale im dłuższa długość, tym niższa przewodność. Opór jest odwrotnością przewodzenia.

Na przykładzie modelu hydraulicznego opór można przedstawić jako średnicę rury. Im jest mniejszy, tym gorsze przewodnictwo i wyższa rezystancja.

Opór przewodnika przejawia się na przykład w nagrzewaniu przewodnika, gdy płynie w nim prąd. Co więcej, im większy prąd i mniejszy przekrój przewodu, tym silniejsze nagrzewanie.

Moc

Energia elektryczna to wielkość fizyczna, która określa szybkość konwersji energii elektrycznej. Na przykład słyszałeś więcej niż raz: „żarówka na tyle watów”. Jest to moc pobierana przez żarówkę na jednostkę czasu podczas pracy, tj. przekształcanie jednej formy energii w inną w określonym tempie.

Źródła energii elektrycznej, takie jak generatory, również charakteryzują się mocą, ale już generowaną w jednostce czasu.

Jednostka mocy - Wat(oznaczony Wt lub W). We wzorach i obliczeniach moc jest oznaczona literą P . W przypadku obwodów prądu przemiennego termin ten jest używany Pełna moc, jednostka - Wolt-amper (V A lub VA), oznaczony literą S .

I na zakończenie o obwód elektryczny. Obwód ten to zestaw elementów elektrycznych zdolnych do przewodzenia prądu elektrycznego i połączonych ze sobą w odpowiedni sposób.

To, co widzimy na tym obrazie, to elementarne urządzenie elektryczne (latarka). pod presją U(B) źródło energii elektrycznej (baterie) przez przewodniki i inne elementy o różnej rezystancji 4,59 (220 głosów)

Na dzisiejszym spotkaniu porozmawiamy o elektryczności, która stała się integralną częścią współczesnej cywilizacji. Energetyka wdarła się w każdą dziedzinę naszego życia. A obecność w każdym domu urządzeń wykorzystujących prąd elektryczny jest tak naturalną i integralną częścią życia, że ​​przyjmujemy to za pewnik.

Uwagę naszych czytelników zwracają więc podstawowe informacje o prądzie elektrycznym.

Co to jest prąd elektryczny?

Przez prąd elektryczny rozumie się ukierunkowany ruch naładowanych cząstek. Substancje zawierające wystarczającą ilość bezpłatnych opłat nazywane są przewodnikami. A całość wszystkich urządzeń połączonych przewodami nazywa się obwodem elektrycznym.

W codziennym życiu używamy energii elektrycznej przechodzącej przez metalowe przewodniki. Nośnikami ładunku są w nich wolne elektrony.

Zwykle pędzą losowo między atomami, ale pole elektryczne zmusza je do poruszania się w określonym kierunku.

Jak to się stało

Przepływ elektronów w obwodzie można porównać do przepływu wody opadającej z wysokiego na niski poziom. Rolę poziomu w obwodach elektrycznych odgrywa potencjał.

Aby prąd płynął w obwodzie, na jego końcach musi być zachowana stała różnica potencjałów, tj. Napięcie.

Jest zwykle oznaczany literą U i mierzony w woltach (B).

Z powodu przyłożonego napięcia w obwodzie powstaje pole elektryczne, które nadaje elektronom ukierunkowany ruch. Im wyższe napięcie, tym silniejsze pole elektryczne, a co za tym idzie intensywność przepływu kierunkowo poruszających się elektronów.

Prędkość propagacji prądu elektrycznego jest równa prędkości, z jaką powstaje pole elektryczne w obwodzie, czyli 300 000 km/s, ale prędkość elektronów osiąga zaledwie kilka milimetrów na sekundę.

Ogólnie przyjmuje się, że prąd płynie z punktu o dużym potencjale, czyli od (+) do punktu o niższym potencjale, czyli do (-). Napięcie w obwodzie jest utrzymywane przez źródło prądu, takie jak bateria. Znak (+) na jego końcu oznacza brak elektronów, znak (-) ich nadmiar, ponieważ elektrony są nośnikami właśnie ładunku ujemnego. Gdy tylko obwód ze źródłem prądu zostanie zamknięty, elektrony pędzą z miejsca, w którym znajdują się w nadmiarze, do dodatniego bieguna źródła prądu. Ich ścieżka biegnie przez przewody, odbiorniki, przyrządy pomiarowe i inne elementy obwodu.

Zauważ, że kierunek prądu jest przeciwny do kierunku elektronów.

Właśnie kierunek prądu, za zgodą naukowców, został określony przed ustaleniem natury prądu w metalach.

Niektóre wielkości charakteryzujące prąd elektryczny

Aktualna siła.Ładunek elektryczny przechodzący przez przekrój przewodnika w ciągu 1 sekundy nazywany jest siłą prądu. Do jego oznaczenia używana jest litera I, mierzona w amperach (A).

Opór. Następną wartością, o której należy pamiętać, jest opór. Powstaje w wyniku zderzeń kierunkowo poruszających się elektronów z jonami sieci krystalicznej. W wyniku takich zderzeń elektrony przenoszą część swojej energii kinetycznej na jony. W rezultacie przewodnik nagrzewa się, a prąd maleje. Rezystancja jest oznaczona literą R i jest mierzona w omach (Ohm).

Rezystancja przewodnika metalowego jest tym większa, im dłuższy przewodnik i im mniejszy jest jego przekrój. Przy tej samej długości i średnicy drutu przewodniki wykonane ze srebra, miedzi, złota i aluminium mają najmniejszą rezystancję. Z oczywistych względów w praktyce stosuje się druty aluminiowe i miedziane.

Moc. Podczas wykonywania obliczeń dla obwodów elektrycznych czasami konieczne jest określenie poboru mocy (P).

Aby to zrobić, prąd płynący przez obwód należy pomnożyć przez napięcie.

Jednostką miary mocy jest wat (W).

Prąd stały i przemienny

Prąd podawany przez różne baterie i akumulatory jest stały. Oznacza to, że natężenie prądu w takim obwodzie można zmienić tylko pod względem wielkości, zmieniając jego rezystancję na różne sposoby, podczas gdy jego kierunek pozostaje niezmieniony.

Ale większość sprzętu AGD pobiera prąd zmienny, tj. prąd, którego wielkość i kierunek stale się zmienia zgodnie z pewnym prawem.

Jest produkowany w elektrowniach, a następnie transportowany liniami przesyłowymi wysokiego napięcia do naszych domów i firm.

W większości krajów częstotliwość odwrócenia prądu wynosi 50 Hz, czyli występuje 50 razy na sekundę. W tym przypadku za każdym razem, gdy siła prądu stopniowo wzrasta, osiąga maksimum, a następnie spada do 0. Następnie proces ten się powtarza, ale z przeciwnym kierunkiem prądu.

W USA wszystkie urządzenia działają z częstotliwością 60 Hz. Ciekawa sytuacja rozwinęła się w Japonii. Tam jedna trzecia kraju korzysta z prądu przemiennego o częstotliwości 60 Hz, a reszta - 50 Hz.

Uwaga - prąd

Porażenie prądem może być spowodowane używaniem urządzeń elektrycznych i uderzeniami piorunów, ponieważ Ciało ludzkie jest dobrym przewodnikiem prądu. Często urazy elektryczne są otrzymywane przez nadepnięcie na przewód leżący na ziemi lub odepchnięcie zwisających przewodów elektrycznych rękami.

Napięcie powyżej 36 V jest uważane za niebezpieczne dla ludzi. Jeśli przez ludzkie ciało przepływa prąd o natężeniu zaledwie 0,05 A, może to spowodować mimowolne skurcze mięśni, które nie pozwolą osobie samodzielnie oderwać się od źródła uszkodzenia. Prąd o wartości 0,1 A jest śmiertelny.

Prąd przemienny jest jeszcze bardziej niebezpieczny, ponieważ ma silniejszy wpływ na człowieka. Ten nasz przyjaciel i pomocnik w wielu przypadkach zamienia się w bezlitosnego wroga, powodując zaburzenia oddychania i pracy serca, aż do całkowitego zatrzymania. Pozostawia na ciele straszne ślady w postaci ciężkich oparzeń.

Jak pomóc ofierze? Przede wszystkim wyłącz źródło obrażeń. A potem zajmij się pierwszą pomocą.

Nasza znajomość elektryczności dobiega końca. Dodajmy tylko kilka słów o życiu morskim z „bronią elektryczną”. Są to niektóre rodzaje ryb, węgorz morski i płaszczka. Najgroźniejszym z nich jest węgorz morski.

Nie płyń do niego na odległość mniejszą niż 3 metry. Jego cios nie jest śmiertelny, ale przytomność może zostać utracona.

Gdyby ta wiadomość była dla Ciebie przydatna, chętnie Cię zobaczę

Dziś trudno wyobrazić sobie życie bez takiego zjawiska jak elektryczność, a przecież ludzkość nie tak dawno nauczyła się jej używać do własnych celów. Badanie istoty i właściwości tego szczególnego rodzaju materii trwało kilka stuleci, ale nawet teraz nie można z całą pewnością stwierdzić, że wiemy o nim absolutnie wszystko.

Pojęcie i istota prądu elektrycznego

Prąd elektryczny, jak wiadomo ze szkolnego kursu fizyki, to nic innego jak uporządkowany ruch dowolnych naładowanych cząstek. Jako te ostatnie mogą działać zarówno elektrony naładowane ujemnie, jak i jony. Uważa się, że ten rodzaj materii może powstać tylko w tzw. przewodnikach, ale tak nie jest. Chodzi o to, że kiedy jakiekolwiek ciała wchodzą w kontakt, zawsze powstaje pewna liczba przeciwnie naładowanych cząstek, które mogą zacząć się poruszać. W dielektrykach swobodny ruch tych samych elektronów jest bardzo trudny i wymaga ogromnych wysiłków zewnętrznych, dlatego mówią, że nie przewodzą prądu elektrycznego.

Warunki istnienia prądu w obwodzie

Naukowcy od dawna zauważyli, że to zjawisko fizyczne nie może samoistnie powstać i utrzymywać się przez długi czas. Warunki istnienia prądu elektrycznego obejmują kilka ważnych postanowień. Po pierwsze, zjawisko to jest niemożliwe bez obecności wolnych elektronów i jonów, które pełnią rolę przekaźników ładunku. Po drugie, aby te cząstki elementarne zaczęły poruszać się w sposób uporządkowany, konieczne jest wytworzenie pola, którego główną cechą jest różnica potencjałów między dowolnymi punktami elektryka. Wreszcie po trzecie, prąd elektryczny nie może istnieć przez długi czas tylko pod wpływem sił kulombowskich, ponieważ potencjały będą się stopniowo wyrównywać. Dlatego potrzebne są pewne komponenty, które są konwerterami różnego rodzaju energii mechanicznej i cieplnej. Nazywane są źródłami prądowymi.

Pytanie o aktualne źródła

Źródła prądu elektrycznego to specjalne urządzenia generujące pole elektryczne. Do najważniejszych z nich należą ogniwa galwaniczne, panele słoneczne, generatory, akumulatory. charakteryzują się mocą, wydajnością i czasem pracy.

Prąd, napięcie, rezystancja

Jak każde inne zjawisko fizyczne, prąd elektryczny ma szereg cech. Najważniejsze z nich to jego wytrzymałość, napięcie w obwodzie i rezystancja. Pierwszym z nich jest ilościowa charakterystyka ładunku, który przechodzi przez przekrój danego przewodnika w jednostce czasu. Napięcie (zwane również siłą elektromotoryczną) to nic innego jak wielkość różnicy potencjałów, dzięki której przechodzący ładunek wykonuje pewną pracę. Wreszcie, opór jest wewnętrzną cechą przewodnika, pokazującą, jaką siłę musi zużyć ładunek, aby przez niego przejść.