Электродвижущая сила (20 мин.)

Вопрос №4. Понятие электрической цепи постоянного тока.

Вопрос №3. Электрическое сопротивление и проводимость (10 мин.)

Вопрос №2. Электрический ток (20 мин.)

Вопрос № 1. Характеристики электрического поля (10 мин.)

Понятие электрической цепи постоянного тока. Электродвижущая сила.

Электрическое сопротивление и проводимость.

Электрический ток.

Для лучшего усвоения последующего материала необходимо актуализировать знания, пройденные в ходе изучения физики. Вспомним характеристики электрического поля.

Все вещества состоят из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. Атом состоит из протонов, электронов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны отрицательный, а нейтроны − это частицы, не обладающие зарядом. Атом считает нейтральным, если он имеет одно и то же число электронов и протонов, уравновешивающих друг друга. Если атом получает электрон, он становиться отрицательно заряженным, если атом теряет электрон, − положительно заряженным (рис. 1). Таким образом, каждое вещество содержит большое число элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом.

Рис. 1.Типы атомов

Электрический заряд –величина,определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц.

Обозначение – q или Q. Единица измерения – Кулон.

Вокруг заряда в любой среде, в том числе и в вакууме, возникает электрическое поле.

Электрическое поле – пространство, в котором на электрически заряженные частицы и тела воздействует сила (рис. 2).

Рис. 2

Электростатическое поле – поле, создаваемое неподвижными зарядами.

Свойства электрического поля:

порождается электрическими зарядами;

обнаруживается по действию на заряд;

действует на заряды с некоторой силой.

Электрическое поле изображается силовыми линиями или линиями напряженности электрического поля (рис. 3).

Рис. 3. Условное обозначение электрического поля:

а – положительного заряда, б – отрицательного заряда,

в – двух разноименных зарядов, г – однородное поле

Под действием сил электрического поля заряды взаимодействуют друг с другом: одноименные – отталкиваются, разноименные – притягиваются (рис. 4).

Рис. 4.Действие электрического поля

Например, когда вы расчесываете волосы пластмассовой расческой, волосы и расческа становятся заряженными, поэтому волосы притягиваются к расческе или к расческе может прилипнуть кусочек бумаги. А тело человека может заряжаться до напряжения около 20 кВ.

Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона и направлены по прямой линии (рис. 5).

Рис. 5

Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля будут стремиться переместить этот заряд в определенном направлении. Таким образом, электрическое поле обладает следующими характеристиками:

силовой – напряженностью;

энергетической – потенциалом.

Напряженность –это сила, с которой электрическое поле действует на заряд, помещенный в данную точку. Единица измерения – вольт/метр.

где Е – напряженность; F – сила, Н; q – величина электрического заряда, Кл

Например: иногда во время грозы или при ее приближении на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, линии электропередачи и т.п.) возникает разряд в форме светящихся пучков или кисточек (так называемый коронный разряд). Это явление получило название Огни святого Э́льма. Причиной его возникновения является большая напряжённость электрического поля (500 В/м и выше) у острия в атмосфере.

Потенциал –работа, которая производится силами электрического поля при перемещении единицы положительного заряда из данной точки в бесконечность (в точку с нулевым потенциалом) (рис. 6). Единица измерения – вольт.

где – потенциал; А – работа сил электрического поля, Н·м; q – количество электричества, Кл; F – сила, Н; S – путь, м

Рис. 6

Эта работа равна потенциальной энергии W_M, которой обладает заряд в 1 Кл в рассматриваемой точке поля (например, М).

В электрическом поле потенциал положительного заряда любой точки положителен, а в поле отрицательного заряда – отрицателен.

Потенциал различных точек электрического поля обычно сравнивают с потенциалом земли, который принято считать равным нулю (подобно тому, как температуру любого тела сравнивают с температурой таяния льда). Это значит, что потенциал проводника, электрически соединенного с землей, равен нулю. Положительный потенциал больше (выше) потенциала земли, а отрицательный потенциал меньше (ниже) потенциала земли

Ответьте на вопрос, для чего применяют преднамеренное электрическое соединение с землей какой-либо точки электрической сети, электроустановки или оборудования?

При преднамеренном электрическом соединении с землей, например, корпуса электрооборудования, которое может в результате каких-либо причин оказаться под высоким напряжением, происходит уменьшение до безопасного значения разности потенциалов между заземляемым проводящим предметом и другими проводящими предметами, имеющими естественное заземление. Тем самым, персонал, обслуживающий это оборудование защищается от воздействия электрического напряжения.

Если поле создано положительным зарядом, то чем дальше точка поля удалена от заряда, тем меньше ее потенциал, и наоборот, если электрическое поле создано отрицательным зарядом. Так r_А < r_В < r_С, то φ_А > φ_В > φ_С (рис. 7).

Рис. 7

Напряжение –разность потенциалов двух точек электрического поля (рис. 5). Единица измерения – Вольт.

где U – напряжение; φ_N, φ_M – потенциалы точек электрического поля, В; Е – напряженность, В/м; l – расстояние, на которое переместился заряд, м

Рассмотрим следующий пример.Пусть в точке А электрического поля потенциал относительно земли φ_А=20 В, в точке В потенциал φ_В=10 В, в точке С потенциал φ_С=−5 В. Тогда, разность потенциалов – напряжение между этими точками (рис. 8):

А

В

С

Рис. 8

Для обычных людей электрическое напряжение определяет применимость того или иного электроприбора, например, мы знаем, что для электрочайника или телевизора нужно 220 вольт, а для MP3 плеера нужны две − три батарейки формата AA по 1,5 вольт. Чем выше напряжение, тем ярче его проявление. Вспомните опыт по физике, когда на электродах электростатической машины сверкают искры и раздается характерный треск, а вспомните летнюю грозу с громом и молнией, напряжение которой порядка миллиарда вольт!!!

Вывод по первому вопросу: электрическое поле создается электрическими зарядами. Между электрическими зарядами существует взаимодействие. Характеристиками электрического поля являются силовая - напряженность и энергетическая - потенциал. Одним из основных понятий электричества является электрическое напряжение, как разность потенциалов двух точек электрического поля.

Вокруг ядра каждого атома вращаются электроны. Электроны, находящиеся на внешних орбитах, могут отделяться от атомов и становится «свободными». Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, присоединивший электроны, − отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией.

Интересный факт, что в переводе с древнегреческого слово «электрон» означает «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты − куски янтаря терли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы.

Действием сил электрического поля можно упорядочить перемещение заряженных частиц.

Электрический ток –упорядоченное направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля.

Интересный факт. Отрицательно заряженные свободные электроны совершают хаотическое движение в пространстве между ионами, но под действием электрического поля они начинают смещаться в сторону положительно заряженного электрода. Скорость этого смещения очень мала, примерно, 1 мм в секунду. Однако электрическое поле распространяется по проводнику со скоростью света (300 000 км/c), и, т.к все электроны начинают двигаться одновременно, получается, что ток движется со скоростью света!!!

По природе электрический ток может быть:

током проводимости (в металлах и их сплавах при движении свободных электронов);

током переноса (в электролитах и газах при движении ионов);

током поляризации (в диэлектриках при движении связанных заряженных частиц при изменении поляризации диэлектрика).

Как вы думаете, в каких условиях может протекать электрический ток? Условиями протекания электрического тока являются:

наличие в проводнике носителей зарядов, способных перемещаться (электронов, ионов);

наличие замкнутой электрической цепи;

наличие в проводнике электрического поля.

Подумайте, почему птиц не бьет током на высоковольтных проводах ЛЭП. Пока птица касается только одной линии, не создавая замкнутый контур, ничего не происходит. Но стоит ей только соприкоснуться с другой линией или задеть своим хвостом стальную опору, она станет «мостиком» для тока и погибнет от сильного короткого замыкания.

Судить об электрическом токе можно только по явлениям, сопровождающим его прохождение: тепловому, магнитному, химическому. Направление тока в проводнике считают совпадающим с направлением напряженности электрического поля, поэтому за направление электрического тока условно принято считать направление движения положительных зарядов, т.е. обратное направлению движения электронов (рис. 9). Электрический ток, как правило, протекает от большего потенциала к меньшему.

Рис. 9

Различают два вида тока.

Постоянный ток –это ток, значение которого не изменяется во времени (рис. 10).

Рис. 10

Переменный ток – ток, значение и направление которого изменяется во времени (рис. 11).

Рис. 11

Количественной мерой электрического тока является сила тока.

Сила тока –количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени (секунду). Единица измерения – Ампер.

s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>">

где I – сила тока; Q – количество электричества, Кл; t – время, с.

Наряду с ампером для измерения силы тока применяют кратные и дольные единицы: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА).

1 мА = 10⁻³ А, 1 мкА= 10⁻⁶ А, 1 кА = 10³ А.

Один ампер – это сила тока, при которой через поперечное сечение проводника в секунду проходит один кулон электричества, т.е. 6,3·10¹⁸ электронов.

Электрический ток опасен для человека (табл. 1). При токе 100 мА (0,1 А) в течение 3 с наступает паралич дыхания и сердца. Правилами техники безопасности за безусловно опасный принят ток 50 мА (0,05 А).

К примеру, сила тока, протекающего в комнатной лампе, составляет 0,5-1 А, в телефоне – сотые доли ампера (табл. 2).

Таблица 1

Сила тока при частоте 50 Гц	Эффект действия тока
0-0,5 мА	Отсутствует
0,5-2 мА	Потеря чувствительности
2-10 мА	Боль, мышечные сокращения
10-20 мА	Растущее воздействие на мышцы, некоторые повреждения
16 мА	Ток, выше которого человек уже не может освободиться от электродов
20-100 мА	Дыхательный паралич
100 мА-3 А	Смертельные желудочковые фибрилляции (необходима срочная реанимация)
Более 3 А	Остановка сердца. Тяжелые ожоги. (Если шок был кратким, то сердце можно реанимировать)

Таблица 2

Название устройства	Значение силы тока, А
Лампочка карманного фонаря	0,1
Телевизор
Стиральная машина
Электрический утюг
Двигатель электровоза
Молния	Более 1000

Вывод по второму вопросу: электрический ток – это направленное упорядоченное движение заряженных частиц. Ток возникает только в замкнутой цепи, при наличии заряженных частиц и электрического поля. Его количественной мерой является сила тока. Ток опасен для жизни человека и является причиной пожаров.

Перемещение электронов в определенном направлении и возникновение электрического тока возможно не во всех веществах.

Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля.

Электропроводность вещества зависит от концентрации носителей заряда: чем выше концентрация, тем больше электропроводность. По электропроводности все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники (рис. 12).

Вещества

Диэлектрики

Проводники

Полупроводники

Вещества с высокой электропроводностью

Вещества, электропроводностью которых практически равна нулю

Вещества, занимающие по своей электропроводности промежуточное положение между диэлектриками и проводниками

Металлы и их сплавы

Проводники первого рода

Проводники второго рода

Водные растворы кислот, солей, щелочей

Воздух, вакуум, газы, слюда, мрамор, пластмасса, лаки, эмали, резина, дерево, электрофарфор, стекловолокно, трансформаторное масло  

Германий, кремний, селен, окислы металлов, соединения металлов с серой

Рис. 12

Направленному движению электрических зарядов в любом проводнике препятствуют молекулы и атомы этого проводника (рис. 13). Поэтому как внешний участок электрической цепи, так и внутренний (внутри самого источника электрической энергии) оказывают препятствие (сопротивление) прохождению тока.

Рис. 13. Моделирование

движения электрона в

проводнике

Электрическое сопротивление – совокупность всех препятствий, которое встречает направленное движение заряженных частиц по проводнику. Единица измерения – Ом.

где – удельное сопротивление проводника,; l – длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения проводника, мм².

Удельное сопротивление – это сопротивление металлического проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм² (табл. 3).

Таблица 3

Материал проводника	Удельное сопротивление,;
Серебро	0,016
Медь	0,0175
Золото	0,023
Алюминий	0,0271
Свинец	0,202
Железо	0,038

Сопротивление проводников электрическому току зависит от материала, из которого они изготовлены, от длины и площади поперечного сечения проводника.

Зависимость сопротивления от длины и площади поперечного сечения проводника легче понять с помощью гидродинамической аналогии. Величиной, аналогичной электрическому заряду в гидродинамике, является масса жидкости. Сила тока подобна масса жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени.

Сопротивление, которая испытывает вода, текущая по трубе, возрастает при увеличении длины трубы и уменьшении ее сечения (рис. 14). соответственно, масса жидкости, перекачиваемая насосом в единицу времени по трубе 2, будет меньше, чем по трубе 1.

Рис. 14. Гидродинамическая аналогия электрического сопротивления

Таким образом, если сравнить два проводника из одного и того же материала, то более длинный проводник имеет большее сопротивление при равных площадях сечения, а проводник с большим поперечным сечением имеет меньшее сопротивление при равных длинах.

Сопротивление проводника зависит от температуры. Как вы думаете почему?

Сопротивление металлических проводников с повышением температуры возрастает, т.к. увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов около своих средних положений. При этом увеличивается число столкновений электронов с молекулами и атомами вещества, что уменьшает время их свободного пробега. При нагревании электролитов и угля происходит обратный процесс. При повышении температуры в этих веществах увеличивается концентрация носителей зарядов, в результате чего их удельное сопротивление уменьшается.

Интересный факт. При снижении температуры ниже некоторой критической величины Т_кр, близкой к абсолютному нулю (Т₀=−273 °С = 0 К), удельное сопротивление всех металлов скачкообразно падает практически до нуля. Это явление обнаружил в 1911 г. при охлаждении ртути голландский ученый Гейке Каммерлинг-Оннес.

В общем случае, при абсолютном нуле прекращается тепловое (хаотическое) движение ионов кристаллической решетки металлов. Поэтому свободные электроны беспрепятственно движутся под действием электрического поля, не испытывая соударения.

Некоторые металлы и сплавы снижают свое удельное сопротивление до нуля при более «теплых» температурах (например, алюминий − Т_кр=1,14 К, свинец − Т_кр=7,26 К. Наилучшими сверхпроводящими свойствами в настоящее время обладают металлокерамические сплавы.

Как вы думаете, в какой области производства сверхпроводники, на ваш взгляд, должны получить наибольшее распространение? Конечно, в электроэнергетике при передаче электроэнергии на дальние расстояния.

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R, называются резистивными, а промышленные изделия, предназначенные для выполнения роли сопротивления электрическому току, называются резисторами. Резисторы бывают регулируемые и нерегулируемые. Регулируемый резистор называется реостатом (рис. 15). Условные обозначения резисторов приведены на рис. 16.

	а б
Рис. 15. Реостат	Рис. 16. Условные обозначения резистивных элементов: а – нерегулируемого; б − регулируемого

Электрическая проводимость –величина обратная сопротивлению. Единица измерения – Сименс.

где – проводимость; R - сопротивление, Ом.

Вывод по третьему вопросу: протеканию тока в проводнике оказывают молекулы и атомы вещества, из которого он состоит. Это свойство называется электрическим сопротивлением. И, наоборот, свойство веществ проводить ток называется электропроводностью. По электропроводности различают: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Одна из важнейших задач электротехники – передача электрической энергии на дальние и ближние расстояния. Этот процесс осуществляется по электрическим цепям.

Электрическая цепь –совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, преобразования и использования электри­ческой энергии.

Электрическая цепь состоит из источников электрической энергии, передающих и преобразующих элементов, приемников электроэнергии.

Источники электрической энергии осуществляют преобразо­вание в электрическую энергию каких-либо других видов энергии – механической (генераторах электрической энергии), тепловой (термопреобразователи), химической (аккумуляторы, гальванические элементы), световой (фотогенераторы) и др.

Приемники электрической энергии или потребители пре­образуют электроэнергию в другие виды энергии, например, в механическую (электродвигатели), тепловую (электрические печи, нагревательные приборы), химическую (электролизные ванны), световую (лампы накаливания).

Передающие элементы цепи служат для передачи электрической энергии от источников, рас­пределения ее между приемниками и контроля режима работы всех электротехнических устройств. К ним относятся коммутационная аппаратура (аппараты для включения и от­ключения цепи, предохранители), преобразующие устройства (трансформаторы), линии и измерительные приборы.

Классификация электрических цепей приведена в таблице 4.

Таблица 4

Классификация электрических цепей
По виду тока
Цепи постоянного тока	Цепи переменного тока
По содержанию элементов
Линейные цепи (содержат только линейные элементы)	Нелинейные цепи (содержат хотя бы один нелинейный элемент)
По конфигурации
Простые (содержат один источник питания и один контур)	Сложные (содержат два и более источников питания и контуров)	Неразветвленные (содержат один контур)	Разветвленные (содержат много контуров)

Основной задачей изучения электротехники является овладение методиками расчетов электрических цепей. Для того, чтобы произвести расчет реальной электрической цепи необходимо составить ее схемы (табл. 5).

Таблица 5

Электрическая схема
Эскизная	Принципиальная	Схема замещения
Реальное изображение электротехнических устройств и способов их соединения   1 – рубильник, 2 – лампа накаливания (приемник электрической энергии), 3 – аккумуляторная батарея (источник элек­трической энергии постоянного тока), контролирующие приборы – амперметр (4)и вольтметр (5)	Графическое изображение цепи, в которой каждое электротехническое устройство заменено (согласно ГОСТам) его условным обозначением	Графическое отображениеэлектрической цепи с использованием различных идеализированных элементов (источников питания, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и т.д.), выбранных так, чтобы можно было с заданным или необходимым приближением описать процессы в цепи

Для того, чтобы выполнить расчет электрической цепи необходимо составить ее схему замещения. Элементами электрической цепи являются источники электрической энергии, активные и реактивные сопротивления.

Условные графические обозначения некоторых элементов электрической цепи приведены в табл. 6.

Таблица 6

Элемент электрической цепи	Условное обозначение	Элемент электрической цепи	Условное обозначение
Термопара		Лампа накаливания сигнальная
Фотоэлемент		Катушка индуктивности
Гальванический элемент (ГЭ) или аккумулятор		Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником
Источник ЭДС		Источник тока
Батарея ГЭ или аккумуляторов		Конденсатор
Линия электрической связи		Конденсатор регулируемый
Узел цепи		Контакт выключателя
Заземление		Переключатель
Резистор		Штепсельный разъем
Реостат		Плавкий предохранитель
Реостат		Амперметр
Варистор (нелинейный резистор)		Вольтметр
Лампа накаливания осветительная		Ваттметр

Для описания электрической цепи используются топологические понятия, основными из которых являются узел, ветвь и контур (рис. 17).

Ветвь – совокупность связанных элементов электрической цепи между двумя узлами. Это участок цепи, по которому протекает один и тот же ток.Ветвь по определению содержит элементы.

Узел – место соединения не менее трех ветвей.

Контур – замкнутый путь, про­ходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречается больше одного раза.

Контур называется элементарным, если содержит хотя бы одну ветвь, не входящую в другие выбранные контуры, и неэлементарным, если все ветви данного контура входят в другие выбранные контуры (рис. 18).

По определению различные контуры электрической цепи должны отличаться друг от друга по крайней мере одной ветвью. Количество контуров, которые могут быть образованы для данной электрической цепи, ограничено и определено.

Рис. 18

Например, укажите максимальное число контуров, которые
можно образовать в этой цепи (рис. 19) с участием R ₁.

Рис. 19

Укажите максимальное число контуров, которые
можно образовать в этой цепи (рис. 19).

Элементы электрической цепи подразделяются на: активные − источники электрической энергии и пассивные, т.е. не способные генерировать электрическую энергию (приемники электроэнергии).

Источник электрической энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь, расходует энергию на преодоление сопротивления внешней и внутренней (внутреннего сопротивления самого источника) цепей (рис. 20). В сопротивлении происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

Рис. 20

Чтобы в электрической цепи протекал ток, необходимо иметь разность потенциалов на зажимах цепи. Эту разность потенциалов создают источники электродвижущей силы. В каждом источнике электрической энергии действуют сторонние силы.

Сторонние силы – это силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов.

Например, сторонними силами являются:

в электрических генераторах – механическая сила, под действием которой проводник перемещается в магнитном поле, в результате чего в проводнике возникает электродвижущая сила;

в химических источниках тока (гальванические элементы, аккумуляторы) – химическая реакция;

в термогенераторах – нагрев места спая двух разнородных металлов;

в фотоэлементах – действие светового потока на пластину цезия.

Сторонние силы перемещают внутри источников эклектической энергии электрические заряды, в результате чего энергия одного вида превращается в энергию другого вида. Если к источнику электрической энергии подключить приемники, то в цепи будет протекать электрический ток.

При существовании тока в электрической цепи источник совершает работу.

Электродвижущая сила источника (ЭДС) –работа, затрачиваемая сторонними силами на перемещение единицы положительного заряда от меньшего потенциала к большему. Единица измерения – Вольт.

где E – электродвижущая сила; А - работа, Дж; q – величина электрического заряда, Кл.

Таким образом, условное обозначение источника ЭДС включает два элемента. Первый из них кружок со стрелкой указывает, что в источнике есть ЭДС Е, стрелка показываетнаправление ЭДС.При этом ток в источнике за счет действия сторонних (не электрических) сил протекает от отрицательного зажима к положительному, от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим. Второй элемент с с сопротивлением r_вн или иногда его обозначают r₀ характеризует преобразование электроэнергии внутри источника в тепло, иными словами потери энергии внутри источника (рис. 21).

Рис. 21

Направление перемещения положительных зарядов, а следовательно, и направление тока, протекающего в замкнутой цепи, совпадает с направлением ЭДС. При протекании тока через участок, имеющий сопротивление, на концах этого участка возникают потенциалы φ₁ и φ₂, разность которых равна напряжению, падающему на этом участке U₁₂ (рис. 22).

На каждом участке цепи (рис. 20) ток протекает от точки с большим потенциалом (φ₁) к точке с меньшим потенциалом (φ₂).

φ1<φ2	φ1>φ2

Рис. 22

Источниками постоянного тока являются генераторы постоянного тока, аккумуляторы и гальванические элементы (рис. 23).

а)	б)	в)
Рис. 23. Виды источников постоянного тока: а) батарейка; б) генератор постоянного тока; в) аккумулятор

Постоянный ток применяется при электрохимическом получении алюминия, на городском и железнодорожном электротранспорте, в электронике, медицине и других областях на­уки и техники. В настоящее время быстрыми темпами развиваются и совершенствуются различные альтернативные источники электрической энергии постоянного тока – сол­нечные батареи, фотоэлементы, МГД-генераторы.

Дата добавления: 2013-12-13