Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Напряжение

Условно напряжение обозначается буквой «U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10¹⁸ электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока:

Постоянное напряжение. Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
— амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
— мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;
— действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
— средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

Tok i napriazhenie grafiki (U)

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Tok i napriazhenie (I)

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Tok i napriazhenie grafiki (I) 1

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться осциллографом. На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:

Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.

Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:

Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
Полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.

Условия возникновения электрического тока:

Нагревание проводников (не сверхпроводников).
Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
Химическая реакция с выделением новых веществ.
Воздействие магнитного поля на проводник.

Формы сигнала тока:

Прямая линия.
Переменная синусоида гармоники.
Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Vidy toka na grafike

Виды работы электрического тока:

Световое излучение, создающееся приборами освещения.
Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
Создание электромагнитного излучения.

Отрицательные явления, вызываемые электрическим током:

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

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:

Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.