Эта статья охватывает наиболее важные понятия в электротехнике: ток, контур тока, электрический потенциал, напряжение, сопротивление, закон Ома, электрическая энергия и мощность.
1. Электрический ток
Движущиеся носители заряда образуют электрические токи, так же как движущиеся частицы воздуха или воды образуют воздушные или водные токи. Различные материалы классифицируются как проводники, диэлектрики и полупроводники в зависимости от их способности проводить электричество.
Проводники бывают проводниками 1 класса (все металлы и уголь) и проводниками 2 класса (кислоты, основания и солевые растворы), которые являются проводниками ионов. Металлы содержат большое количество свободных электронов (около 1023 в кубическом сантиметре) и характеризуются высокой подвижностью.
Диэлектрики содержат небольшое количество свободных электронов. Именно по этой причине они используются в качестве изоляционных материалов.
В полупроводниках перемещение заряда происходит не только за счет движения электронов, но и за счет так называемых «дырок». Дырки представляют собой незанятое электронное пространство в решетке и функционально подобны носителям положительного заряда.
По своей способности проводить электричество полупроводник находится где-то между проводником и диэлектриком, и его проводимость в значительной степени зависит от содержащихся в нем примесей.
Присутствие электрического тока можно определить по эффектам, которые он вызывает. Три эффекта сопровождают ток.
- В диэлектрике, окружающем провод, по которому течет ток, наблюдается магнитное поле.
- Проводник, по которому течет ток, становится горячим.
- В проводниках с ионной проводимостью в токе можно наблюдать перенос вещества.
Направление тока рассматривается как направление движения ионов металла (т.е. положительного заряда) при электролизе солевого раствора. Электроны движутся в металлическом проводнике в направлении, противоположном описанному выше (они движутся от отрицательного полюса источника к положительному полюсу).
Единицей измерения тока является 1 ампер (1A). Этот блок был выбран в качестве основного блока для регистрации картины электродинамического взаимодействия проводника, что устанавливает его связь с основным механическим блоком.
Временная зависимость тока может быть различной. Для постоянных токов направление и величина не меняются. Переменные токи меняют направление и величину, а переменные токи с синусоидальной формой особенно важны на практике. Если ток обладает свойствами как постоянного, так и переменного тока, его называют пульсирующим током.
Силы (токи), которые заставляют электроны двигаться по проводнику, движутся со скоростью света. Однако сами электроны движутся по проводнику со скоростью всего около 1 мм/с.
Подробнее об электрических токах.
2. Токовые цепи
В электрической цепи ток циркулирует по замкнутому контуру. Ток течет от источника в проводе через переключатель к приемнику, где он производит желаемый эффект.
По второму проводу ток возвращается к источнику, проходит через него и снова начинает свой путь. По пути ток получает энергию от источника для движения и затем отдает ее обратно приемнику, обычно преобразуя ее в другой вид энергии — световую, тепловую, механическую и т.д.
В природе и в технике существует множество подобных циклических процессов. Хорошую, но, конечно, формальную аналогию можно найти, например, в случае движения воды в системе охлаждения автомобиля. Вода получает тепловую энергию от стенок цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Даже без водяного насоса вода движется по трубам системы охлаждения, и вода передает большую часть полученной тепловой энергии радиатору, который в данном случае является получателем энергии.
Согласно современным представлениям, ток в проводнике генерируется очень большим количеством минимальных носителей заряда, называемых электронами. Электрический заряд следует рассматривать как одну из основных характеристик частиц и тел, которые проявляются при взаимодействии различных сил.
3. Электрический потенциал, напряжение
Если в какой-то части цепи носитель заряда приобретает энергию, то говорят, что он является источником генерируемого электрического потенциала (ЭМП). Источник электрической энергии известен как источник ЭМП.
В той части цепи, где заряд отдает энергию, возникает так называемое падение напряжения. Падение напряжения на участке цепи, приемнике, называется «напряжением».
Импульс напряжения», генерируемый источником ЭДС, распространяется со скоростью света, в то время как сами электроны движутся с очень низкой скоростью.
В простой цепи ток одинаков во всех участках цепи, и из-за высокой скорости распространения импульса напряжения все электроны фактически движутся одновременно.
В разомкнутой цепи с источником электромагнитного поля не может быть направленного потока электронов в цепи. В этой цепи, однако, свободные электроны находятся в состоянии, готовом к перемещению всякий раз, когда цепь замкнута. В этом случае можно сказать, что оба конца разомкнутой цепи находятся под напряжением.
Направление электромагнитного поля E и падения напряжения U совпадают с направлением тока, т.е. они противоположны направлению движения электронов.
Электромагнитное поле и напряжение измеряются в единицах одного вольта (1 В).
Для того чтобы установить единообразие в поставке электрической энергии потребителям, для напряжения был выбран ряд стандартизированных значений.
Для небольших потребителей электроэнергии в основном используется напряжение 12, 24, 36, 48, 110 и 220 В. Для низковольтных промышленных и бытовых сетей используется напряжение 220 и 380 вольт. Более высокие напряжения 6000, 10 000, 35 000, 110 000, 220 000, 330 000, 500 000 и 750 000 В используются для передачи на большие расстояния.
Подробнее об электрическом потенциале и напряжении.
4. Сопротивление, закон Ома
Электрические величины (ток, напряжение и сопротивление) взаимосвязаны. Закон Ома определяет зависимость между током, протекающим в цепи, напряжением, приложенным к цепи, и сопротивлением цепи.
В общем, можно сказать, что ток пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Закон Ома для всей цепи выражается следующим образом: ток пропорционален электрическому потенциалу и обратно пропорционален сопротивлению цепи.
В процессе движения по проводнику электроны сталкиваются с атомами и теряют при этом часть энергии, что приводит к нагреванию проводника. Поэтому существует сопротивление движению электронов. Эксперименты показали, что чем больше напряжение (падение напряжения) на участке цепи, тем больше ток.
При определенных условиях между током и напряжением существует линейная зависимость: I = GU.
Символ G в этом уравнении указывает на проводимость участка цепи, т.е. чем меньше сопротивление проводника прохождению тока, тем больше сопротивление.
На практике, однако, чаще используется величина, противоположная проводимости, которая известна как сопротивление: R = 1/G, где R = U/I. Это уравнение используется для определения сопротивления и известно как закон Ома для части цепи.
Из закона Ома видно, что при увеличении напряжения пропорционально увеличивается ток, а при увеличении сопротивления ток уменьшается. Единицей измерения сопротивления является 1 Ом.
На практике часто требуется определить ток в конкретном приемнике. Значение этого тока можно определить по известным значениям сопротивления приемника и приложенного к нему напряжения.
Если напряжение слишком высокое, ток может быть очень большим и, вследствие теплового эффекта, может разрушить приемник. Высокие значения тока могут также возникнуть в цепи, если сопротивление слишком мало или если токоведущие части находятся в непосредственном контакте (короткое замыкание).
Для защиты оборудования и приборов от сверхтоков в цепи используются предохранители, которые срабатывают, если ток в цепи превышает определенное значение.
Чем выше сопротивление провода или проводника, тем больше его длина l и тем меньше площадь его поперечного сечения S.
Величина сопротивления также зависит от материала проводника. Каждый материал характеризуется электрической постоянной: удельным сопротивлением ρ. Поэтому формула для расчета сопротивления проводника выглядит следующим образом. R = (ρl)/S.
Сопротивление проводника зависит не только от его длины, площади поперечного сечения и материала, но и от температуры.
У некоторых материалов сопротивление внезапно падает до чрезвычайно низкого значения при температуре, близкой к абсолютному нулю. Это явление известно как сверхпроводимость. В настоящее время сверхпроводимость еще не получила широкого технического распространения, но она успешно применяется для решения некоторых специальных технических задач, таких как получение сверхсильных магнитных полей для физических исследований.
Узнайте больше о сопротивлении и законе Ома.
5. Энергия и мощность
В каждой цепи происходит обмен энергией. Следует различать два процесса: получение электрической энергии (в источнике электромагнитного поля) и ее преобразование в другие формы (в области падения напряжения в цепи).
Принимая во внимание закон Ома, мы можем записать выражение для энергии тока, преобразованного в приемнике с сопротивлением R (закон Джоуля-Ленца): W = I2Rt
При расчете электроустановок в качестве единицы измерения энергии обычно выбирают ватт-часы или киловатт-часы. Электрическая энергия может быть преобразована в другие виды энергии.
Электрический ток нагревает проводник, т.е. электрическая энергия преобразуется в тепловую (эффект Джоуля). В электродвигателях электрическая энергия преобразуется в механическую (см. — Типы электродвигателей).
Мощность можно определить как изменение энергии в единицу времени: P = dW/dt
Мощность в цепи постоянного тока: P = UI. Единица измерения мощности — ватт.
В электротехнике используются киловатты (кВт) и мегаватты (МВт), 1 кВт = 103 Вт и 1 МВт = 106 Вт. В технике малых токов и измерительной технике используется единица мощности — милливатт (мВт), 1 мВт = 10-3 Вт. Мощность является наиболее важной характеристикой двигателей и приборов, поскольку их способность производить работу в единицу времени имеет большое практическое значение.
