КАК СОЗДАЕТСЯ ТОК В ПРОВОДНИКЕ
Еще раз: электрический ток – это организованное. Направленное движение электронов в проводнике.
Для того, чтобы заставить электроны двигаться в одну сторону, нужна сила.
Это можно сделать с помощью электрического поля (или – магнитного поля – об этом в разделе «Электромагнетизм»).
Электрическое поле
Заряженные тела и частицы взаимодействуют между собой на расстоянии.
Пространство вокруг заряженного тела, где обнаруживается действие на другие заряженные тела, называется электрическим полем.
Главные характеристики электрического поля.
Напряженность поля в данной точке – это сила, действующая на заряд в один кулон: E
= F / q (Н/ Кл).
Здесь F – сила в ньютонах (Н);
q – заряд в кулонах (Кл).
F – это та самая сила, которая будет перемещать заряды, создавать ток в проводнике.
φ – потенциал поля в данной точке – это запас энергии, это – работа, которую затрачивает поле, передвигая 1 кулон электричества из данной точки поля в бесконечность:
φ = A / q (джоуль / кулон) – это называется 1 Вольт (1 В).
(Если на передвижение одного кулона потребовалось затратить работу в один джоуль, то потенциал был равен одному вольту).
Важное понятие: нас бесконечность не интересует – нас интересует разность потенциалов между двумя точками. Ведь у любого потребителя и у любого источника – по два вывода – начало и конец или плюс и минус. Если между этими точками будет разность потенциалов, то пойдет ток через потребитель и потребитель начнет работать.
Разность потенциалов между двумя выводами проводника, потребителя, генератора называется напряжением U (В) между двумя точками или просто напряжением на потребителе, генераторе, источнике, резисторе и т.п.
Еще раз - вдумайтесь в физический смысл слова “напряжение”. Напряжение – это работа на перемещение одного кулона электричества с одной точки (проводника) в другую: U = φ
- φ
.
Только при наличии напряжения и может переместиться заряд из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом.
Напряжение – это причина, вызывающая возможность создавать ток в проводнике.
Исчезло напряжение – нет тока. Темнота … И, надо полагать, чем больше будет напряжение, тем и сила тока должна быть больше.
Напряжение обозначается буквой U и измеряется в Вольтах (1 В).
1 милливольт (мВ) = 0,001 В.
1 микровольт (мкВ) = 0,000001 В.
1 киловольт (кВ) = 1000 В.
Разные потребители рассчитаны на разное напряжение: лампочка от карманного фонарика – на 3,5 В, бывает и на 2,5 В, от мотоцикла – на 6 В, от автомобиля – на 12 В.
Напряжение на телефонных станциях АТС – обычно 60 В. В домашней (бытовой) сети – обычно 220 В, реже 127 В.
Дома – ток переменный, но это физического смысла не меняет. Если подвести напряжение выше нормы – слишком много совершается работы, слишком ярко горят лампы, слишком большой ток идет через потребители – потребители должны выйти из строя. А закон есть закон …
Измерение напряжения (и ЭДС).
Напряжение можно измерить – прибором вольтметром. У вольтметра – два вывода (щупа). Выводы подключаются к точкам, между которыми и надо измерить напряжение.
Очень важное замечание: когда вольтметр подключают к источнику без лампочки, без потребителей, то вольтметр измеряет не напряжение на источнике, а электродвижущую силу источника, как говорят ЭДС источника E.
U < E. ЭДС источника тоже измеряется в вольтах, но это не совсем одно и то же – напряжение на источнике всегда меньше, чем ЭДС источника. Когда идет ток через источник, то часть ЭДС остается бесполезно внутри источника.
Электрическая прочность диэлектрика.
Выше говорилось о напряженности поля в данной точке поля: F – сила, передвигающая заряд в один кулон (в ньютонах); q – заряд в кулонах.
Новое: зная напряжение и расстояние между точками приложения напряжения, напряженность можно определить и таким способом: E
Пример: напряжение между клеммами в розетке равно 220 В, расстояние между клеммами – 20 мм (0,02 м).
Определить напряженность.
E
Практически важный вопрос: каждый диэлектрик выдерживает определенное напряжение на 1 см, т.е. определенную напряженность, которая называется для него электрической прочностью.
Если увеличить напряженность (а это можно сделать двумя способами – или увеличить напряжение, или уменьшить расстояние между клеммами), то диэлектрик пробивается, разрушается и начинает проводить ток – несвободные электроны отрываются от атомов и становятся свободными.
Пробой диэлектрика – это авария, замыкание, пожар.
И еще одно, тоже важное: если диэлектрик нагревается, то свободные электроны появляются раньше, диэлектрическая прочность уменьшается – пробой наступает раньше.
Вопрос-задача: 1. Сколько вольт выдерживает прокладка из слюды толщиной 0,5 см? Электрическая прочность слюды 130-200 кВ/см.
2. Какой толщины прокладку из фторопласта надо поставить между контактами, если будет подведено напряжение 15 кВ?
Постоянный ток.
В электротехнике, связи, радиотехнике, автоматике применяются в основном токи четырех видов.
Далее будет идти речь только о постоянном токе.
.
Конспект.
1. Электрический ток – это организованное, направленное движение электронов по проводнику.
2. Постоянным током называется ток, величина и направление которого не изменяются с течением времени.
3. Металлы, графит, уголь – это проводники первого рода, в них ток образуется свободными электронами.
4. Для возникновения тока на концах проводника надо создавать и поддерживать напряжение (В).
5. Все источники электрической энергии создают на своих зажимах (клеммах) электродвижущую силу – ЭДС.
6. Когда к источнику подключают потребители, то источник поддерживает на потребителях напряжение и через потребитель за счет этого начинает проходить электрический ток – потребитель начинает работать.
7. У любого источника - два вывода (два зажима, две клеммы, два полюса – плюс (+) и минус (-).
8. Принято считать, что ток идет от плюса источника через потребители к минусу источника.
9. Для того чтобы источник мог создавать ток в потребителе, надо создать замкнутую электрическую цепь – соединить клеммы потребителя с клеммами источника соединительными проводами.
На рисунке и схеме показана работающая, т.е. замкнутая, цепь: (+) источника – соединительный провод АБ – лампочка – второй – BI – соединительный провод – (-) источника – далее внутренняя часть источника – (+) источника – и… все сначала.
10. Электрическая цепь состоит из двух частей – внешней и внутренней. Внешняя часть цепи – все, что подключено к источнику. Внутренняя часть цепи – все, что внутри источника.(Так, если телевизор включен в розетку, то он – внешняя часть цепи. А все, что находится за розеткой – провода, линия, источник – внутренняя часть цепи).
11. Не надо забывать – ток идет и по внутренней части цепи.
12. Электрическая цепь должна быть замкнутой – нигде не прерываться – ток не пойдет.
13. Сила тока показывает, сколько электричества проходит за одну секунду через поперечное сечение проводника.
14. Если за 1 секунду проходит 1 кулон электричества, то сила тока равна одному амперу.
15. Сила тока обозначается буквой I, измеряется в амперах (А):
I = q / t (Кл / с).
16. Проводимость – это свойство проводника проводить электрический ток.
17. Сопротивление (электрическое) – это свойство препятствовать (мешать) прохождению тока. Сопротивление возникает за счет того, что электроны, идущие по проводнику, сталкиваются с атомами. Чем длиннее проводник, тем больше сопротивление: R↑ - l↑. Чем толще проводник, тем меньше сопротивление: R↓ - S↑. Сопротивление зависит и от материала, из которого изготовлен проводник (от удельного сопротивления), у каждого – свое. Если нагреть проводник, сопротивление увеличивается – атомы колеблются сильнее, пройти между ними труднее R↑ - l↑.
| Основы
физики и электротехники. Лекции, курсовые, задачи, учебники |