Электрический ток

Обновление знаний об электричестве, с одной стороны, стало причиной появления новой области физики, с другой стороны, явилось основой для бурного развития электротехники, т. е. были изобретены батареи, генераторы, системы электроснабжения для освещения и электрического привода, электропечи, электромоторы и прочее, прочее.

Открытия Ома имели огромное значение как для развития учения об электричестве, так и для развития прикладной электротехники. Они позволили легко предсказывать свойства электрических цепей для постоянного тока, а впоследствии — для переменного. В 1826 году Ом опубликовал книгу, в которой изложил теоретические выводы и экспериментальные результаты. Но его надежды не оправдались, книгу встретили насмешками. Это произошло потому, что метод грубого экспериментирования казался мало привлекательным в эпоху, когда многие увлекались философией.

Ому не оставалось ничего другого, как оставить занимаемую должность преподавателя. Назначения в университет он не добился по этой же причине. В течение 6 лет ученый жил в нищете, без уверенности в будущем, испытывая чувство горького разочарования.

Но постепенно его труды получили известность сначала за пределами Германии. Ома уважали за границей, пользовались его изысканиями. В связи с этим соотечественники вынуждены были признать его на родине. В 1849 году он получил должность профессора Мюнхенского университета.

Ом открыл простой закон, устанавливающий связь между силой тока и напряжением для отрезка проволоки (для части цепи, для всей цепи). Кроме этого, он составил правила, которые позволяют определить, что изменится, если взять проволоку другого размера. Закон Ома формулируется следующим образом: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка.

 

Закон Джоуля-Ленца. Электрический ток в любом участке цепи выполняет определенную работу. Для примера возьмем какой-либо участок цепи, между концами которого имеется напряжение (U). По определению электрического напряжения, работа, совершаемая при перемещении единицы заряда между двумя точками, равна U. Если сила тока на данном участке цепи равна i, то за время t пройдет заряд it, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет:

А = Uit

 

Это выражение справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно участка цепи, который может содержать проводники, электромоторы и пр. Мощность тока, т. е. работа в единицу времени, равна:

 

Р = A/t = Ui

 

Эту формулу применяют в системе СИ для определения единицы напряжения.

Предположим, что участок цепи представляет собой неподвижный проводник. В этом случае вся работа превратится в тепло, которое выделится в этом проводнике. Если проводник однородный и подчиняется закону Ома (сюда относятся все металлы и электролиты), то:

U = ir

 

где r — сопротивление проводника. В таком случае:

А = rt2i

 

Этот закон впервые опытным путем вывел Э. Ленц и, независимо от него, Джоуль.

Следует отметить, что нагревание проводников находит многочисленное применение в технике. Самое распространенное и важное среди них — осветительные лампы накаливания.

 

Закон электромагнитной индукции. В первой половине XIX века английский физик М. Фарадей открыл явление магнитной индукции. Этот факт, став достоянием многих исследователей, дал мощный толчок развитию электро- и радиотехники.

В ходе опытов Фарадей выяснил, что при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в нем возникает электрический ток. Это и является основой, пожалуй, самого важного закона физики — закона электромагнитной индукции. Ток, который возникает в контуре, назвали индукционным. В связи с тем что электроток возникает в цепи только в случае воздействия на свободные заряды сторонних сил, то при изменяющемся магнитном потоке, проходящем по поверхности замкнутого контура, в нем появляются эти самые сторонние силы. Действие сторонних сил в физике называется электродвижущей силой или ЭДС индукции.

Электромагнитная индукция появляется также в незамкнутых проводниках. В том случае когда проводник пересекает магнитные силовые линии, на его концах возникает напряжение. Причиной появления такого напряжения становится ЭДС индукции. Если магнитный поток, проходящий сквозь замкнутый контур, не меняется, индукционный ток не появляется.

При помощи понятия «ЭДС индукции» можно рассказать о законе электромагнитной индукции, т. е. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

 

Правило Ленца. Как мы уже знаем, в проводнике возникает индукционный ток. В зависимости от условий своего появления он имеет разное направление. По этому поводу русский физик Ленц сформулировал следующее правило: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле не дает магнитному потоку изменяться. Все это вызывает возникновение индукционного тока.

Индукционный ток, так же как и любой другой, имеет энергию. Значит, в случае возникновения индукционного тока появляется электрическая энергия. Согласно закону сохранения и превращения энергии, вышеназванная энергия может возникнуть только за счет количества энергии какого-либо другого вида энергии. Таким образом, правило Ленца полностью соответствует закону сохранения и превращения энергии.

Помимо индукции, в катушке может появляться так называемая самоиндукция. Ее суть заключается в следующем. Если в катушке возникает ток или его сила изменяется, то появляется изменяющееся магнитное поле. А если изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, то в ней возникает электродвижущая сила, которая называется ЭДС самоиндукции.

Согласно правилу Ленца, ЭДС самоиндукции при замыкании цепи создает помехи силе тока и не дает ей возрастать. При выключении цепи ЭДС самоиндукции снижает силу тока. В том случае, когда сила тока в катушке достигает определенного значения, магнитное поле перестает изменяться и ЭДС самоиндукции приобретает нулевое значение.

 

 

Электрические цепи и их элементы

 

Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. В электрической цепи постоянного тока могут действовать как постоянные токи, так и токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется произвольно во времени или по какому-либо закону.

Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или элементов, которые по их назначению можно разделить на 3 группы. Первую группу составляют элементы, предназначенные для выработки электроэнергии (источники питания). Вторая группа — элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т. д.). Эти элементы называются приемниками электрической энергии (электроприемниками). В третью группу входят элементы, предназначенные для передачи электроэнергии от источника питания к электроприемнику (провода, устройства, обеспечивающие уровень и качество напряжения, и др.).

Источники питания цепи постоянного тока — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.

Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы и др. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых можно назвать самые основные — напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах (клеммах) необходимо поддерживать номинальное напряжение. Для приемников постоянного тока оно составляет 27, 110, 220, 440 В, а также 6, 12, 24, 36 В.

Графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов, называется схемой электрической цепи. В табл. 2 показаны условные обозначения, применяемые при изображении электрических схем.

 

Таблица 2. Условные обозначения в электросхемах
Элемент гальванический или аккумуляторный   или	Контакты замыкающие с выдержкой времени
Батарея элементов	при замыкании
Генератор электромеханический постоянного тока	при размыкании
Выключатель, контакт замыкающий	при замыкании и размыкании
Выключатель автоматический	Предохранитель плавкий
Контакты контактора и электрического реле:	Обмотка контактора, магнитного пускателя и реле
замыкающие	Лампа накаливания осветительная
размыкающие
переключающие
Лампа газоразрядная осветительная	Конденсатор постоянной емкости
Амперметр и вольтметр	Катушка индуктивности
Резистор постоянный	Диод полупроводниковый
Резистор переменный

 

 

Участок электроцепи, вдоль которого протекает один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения ветвей электроцепи называется узлом. На электросхемах узел обозначается точкой. Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи. Простейшая электрическая цепь имеет одноконтурную схему, сложные электрические цепи — несколько контуров.

Элементами электрической цепи являются различные электротехнические устройства, которые могут работать в различных режимах. Режимы работы как отдельных элементов, так и всей электрической цепи характеризуются значениями тока и напряжения. Поскольку ток и напряжение в общем случае могут принимать любые значения, то режимов может быть бесчисленное множество.

Режим холостого хода — это режим, при котором тока в цепи нет. Такая ситуация может возникнуть при разрыве цепи. Номинальный режим бывает, когда источник питания или любой другой элемент цепи работает при значениях тока, напряжения и мощности, указанных в паспорте данного электротехнического устройства. Эти значения соответствуют самым оптимальным условиям работы устройства с точки зрения экономичности, надежности, долговечности и пр.

Режим короткого замыкания — это режим, когда сопротивление приемника равно нулю, что соответствует соединению положительного и отрицательного зажимов источника питания с нулевым сопротивлением. Ток короткого замыкания может достигать больших значений, во много раз превышая номинальный ток. Поэтому режим короткого замыкания для большинства электроустановок является аварийным.

Согласованный режим источника питания и внешней цепи возникает в том случае, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению. В этом случае ток в цепи в 2 раза меньше тока короткого замыкания.

Самыми распространенными и простыми типами соединений в электрической цепи являются последовательное и параллельное соединение.

 

Последовательное соединение элементов цепи

 

В этом случае все элементы подключаются к цепи друг за другом. Последовательное соединение не дает возможности получить разветвленную цепь — она будет неразветвленной. На рис. 1 показан пример последовательного соединения элементов в цепи.

 

 
Рис. 1. Последовательное соединение двух резисторов в цепи:

1 — первый резистор; 2 — второй  резистор

 

В нашем примере взяты два резистора. Резисторы 1 и 2 имеют сопротивления R1 и R2. Поскольку электрический заряд в этом случае не накапливается (постоянный ток), то при любом сечении проводника за определенный интервал времени проходит один и тот же заряд. Из этого вытекает, что сила тока в обоих резисторах равная:

I = I1 = I2

 

А вот напряжение на их концах суммируется:

U = U1 + U2

 

Согласно закону Ома, для всего участка цепи и для каждого резистора в отдельности полное сопротивление цепи будет:

R = R1 + R2

 

В случае последовательного соединения проводников напряжения и сопротивления можно выразить соотношением:

U1/U2 = R1/R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Переменный ток

 

Как мы уже знаем, электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко применяется только переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии. Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции.