Содержание
Учимся читать схемы
Принципиальная электрическая схема устройства – штука на самом деле не такая запутанная и непонятная как кажется с первого взгляда при условии знания условных обозначений элементов. В доказательство мы сейчас вместе разберем схему подключения электрической лампочки через выключатель и предохранитель (рис.12).
Схема подключения электрической лампочки через выключатель и предохранитель
Как видно из рисунка, лампочка просто включается в розетку, на одном из проводов (обычно это фаза) установлен выключатель, предохранитель (по правде в этой схеме он не нужен, но все же…) оберегает лампочку и проводку от сгорания в результате скачков напряжения либо короткого замыкания (что тоже, по сути, является скачком напряжения, ибо сила тока при резком падении сопротивления до нуля возрастает в разы – вспомним закон Ома). Немного ознакомившись со схемами и теорией (хотя бы с ее основами), хотелось бы поскорее приступить к практическим работам. Сделать, например, для жены подсветку зеркала в ванной, но, прежде чем приступить к подобной работе, еще немного поговорим об основах – их знание (даже не просто знание, это должно быть в крови и выполняться автоматически) может сохранить нервы, здоровье, а возможно и жизнь.
Классификация
Постоянный и переменный ток Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический »ток проводимости». Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют »конвекционным».
Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.
- Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени. Может быть пульсирующий, например выпрямленный переменный, который является однонаправленным.
- Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
- Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
- Синусоидальный ток — периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. В этом случае Электростатический потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
- Квазистационарный ток — относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
- Ток высокой частоты — переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
- Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
- Однонаправленный ток — это электрический ток, не изменяющий своего направления.
Вихревые токи
Вихревые токи Фуко Вихревые токи ( или токи Фуко) — замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.
Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.
Электрический ток в вакууме
- Подробности
- Просмотров: 400
Что такое вакуум? — это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет;
— электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;
— создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;
— действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия
— это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.
Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него ( т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).
Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.
Вакуумный диод
Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.
Электронная лампа — это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.
Вакуумный диод — это двухэлектродная ( А- анод и К — катод ) электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление
Н — нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.
Вольтамперная характеристика вакуумного диода.
При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.
Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.
Ток на входе диодного выпрямителя:
Ток на выходе выпрямителя:
Электронные пучки — это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.
Свойства электронных пучков:
— отклоняются в электрических полях;
— отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
— при торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;
— вызывает свечение ( люминисценцию ) некоторых твердых и жидких тел ( люминофоров );
— нагревают вещество, попадая на него.
Электронно — лучевая трубка ( ЭЛТ )
— используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.
ЭЛТ состоит из электронной пушки, горизонтальных и вертикальных отклоняющих пластин-электродов и экрана.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.
Существуют два вида трубок:
1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь эл.полем);
2) с электромагнитным управлением ( добавляются магнитные отклоняющие катушки ).
Основное применение ЭЛТ:
кинескопы в телеаппаратуре;
дисплеи ЭВМ;
электронные осциллографы в измерительной технике.
Следующая страница «Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза»
Назад в раздел «10-11 класс»
Электрический ток в различных средах — Класс!ная физика
Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость —
Электрический ток в полупроводниках. Р-n переход. Полупроводниковые приборы —
Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка —
Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза —
Электрический ток в газах —
Контрольные вопросы к зачету по теме: Электрический ток в различных средах
Основные типы проводников
В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).
Таблица электрический ток в различных средах.
- Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.
- Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.
- Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
Будет интересно Что такое триггер в электронике — подробно разбираемся в терминах
Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.
Передача тока по проводам
Что такое ток, напряжение и сопротивление
Электрический ток ( I ) – это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая приходит в голову из школьного курса физики – движение электронов. Безусловно. Однако электрический заряд могут переносить не только они, а, например, еще ионы, определяющие возникновение электрического тока в жидкостях и газах. Хочу предостеречь также от сравнения тока с протеканием воды по шлангу. (Хотя при рассмотрении Закона Кирхгофа такая аналогия будет уместна). Если каждая конкретная частица воды проделывает путь от начала до конца, то носитель электрического тока так не поступает.
Если уж нужна наглядность, то я бы привел пример переполненного автобуса, когда на остановке некто, втискиваясь в заднюю дверь, становится причиной выпадения из передней менее удачливого пассажира. Условиями возникновения и существования электрического тока являются:
- Наличие свободных носителей заряда
- Наличие электрического поля, создающего и поддерживающего ток.
Будем считать, что теперь про электрический ток Вы знаете все. Это, конечно, шутка. Тем более что еще ничего не сказано про электрическое поле, которое у многих ассоциируется с напряжением, что не верно. Электрическое поле – это вид материи, существующей вокруг электрически заряженных тел и оказывающее на них силовое воздействие. Опять же, обращаясь к знакомому со школы “одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются” можно представить электрическое поле как нечто это воздействие передающее.
Это поле, равно как любое другое непосредственно ощутить нельзя, но существует его количественная характеристика – напряженность электрического поля.
Существует множество формул, описывающих взаимосвязь электрического поля с другими электрическими величинами и параметрами. Я ограничусь одной, сведенной к примитиву: E=Δφ. Здесь:
- E – напряженность электрического поля. Вообще это величина векторная, но я упростил все до скаляра.
- Δφ=φ1-φ2 – разность потенциалов (рисунок 1).
Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо каким либо образом создать. Хорошо знакомые опыты электризации расчески, натирания тканью эбонитовой палочки, верчения ручки электростатической машины по вполне очевидным причинам на практике неприемлимы.
Электролиз в домашних условиях
Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечивать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одно из них – хорошо всем известная батарейка), получившие название источник электродвижущей силы (ЭДС), которая обозначается так: ε. Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают сторонние силы, перемещая единичный заряд, но для того, чтобы получить первоначальное понятие что такое электрический ток, напряжение и сопротивление нам не нужно подробное рассмотрение этих процессов в интегральной и иных не менее сложных формах.
Напряжение ( U )
Наотрез отказываюсь продолжать заморачивать Вам голову сугубо теоретическими выкладками и даю определение напряжения как разности потенциалов на участке цепи: U=Δφ=φ1-φ2, а для замкнутой цепи будем считать напряжение равным ЭДС источника тока: U=ε. Это не совсем корректно, но на практике вполне достаточно. Сопротивление ( R ) – название говорит само за себя – физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Формула, определяющая зависимость напряжения, тока и сопротивления называется закон Ома. Этот закон рассматривается на отдельной странице этого раздела.
Будет интересно Как устроен трехфазный выпрямитель
Кроме того, сопротивление зависит от ряда факторов, например, материала проводника. Данные эти справочные, приводятся в виде значения удельного сопротивления ρ, определяемого как сопротивление 1 метра проводника/сечение. Чем меньше удельное сопротивление, тем меньше потери тока в проводнике.
Источники электрической энергии
Соответственно сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S, будет составлять R=ρ*L/S. Непосредственно из приведенной формулы видно, что сопротивление проводника также зависит от его длины и сечения. Температура тоже оказывает влияние на сопротивление. Несколько слов про единицы измерения тока, напряжения, сопротивления. Основные единицы измерения этих величин следующие:
- Ток – Ампер (А)
- Напряжение – Вольт (В)
- Сопротивление – Ом (Ом).
Это единицы измерения интернациональной системы (СИ) не всегда удобны. На практике применяются из производные (милиампер, килоом и пр.). При расчетах следует учитывать размерность всех величин, содержащихся в формуле. Так, если Вы, в законе Ома умножите ампер на килоом, то напряжение получите совсем не вольтах.
Электрические токи в природе
Молния Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин.
В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:
- при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
- напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
- атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
- место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.
Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².
Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.
Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.
Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.
Необходимые условия для существования электрического тока в металлах
Металлы являются наиболее распространенными веществами, которые используются в качестве проводников электричества. Особенностью этих материалов является кристаллическая решетка, присущая их твердому состоянию. Эта конструкция состоит из атомов, на внешней оболочке которых присутствует некоторое количество валентных электронов.
При формировании кристаллической решетки в ее узлах остаются атомы с положительными ионами, а часть электронов утрачивает связь и начинает совершать хаотичное движение внутри материала. Именно они и будут являться теми носителями заряда, которые позволят существовать электрическому току, если создать требуемые условия для его возникновения.
Таким образом, наблюдаются носители заряда, которые перемещаются хаотично и бессистемно, что само по себе не может гарантировать возникновение электрического тока. Вторым условием существования которого является наличие некой дополнительной силы, способной привести к упорядоченному перемещению электронов. К появлению такой силы приводит электрическое поле, возникающее при подключении проводника к источнику электричества. Пока такое поле существует, будет выполняться условие существования электрического тока.
При разрыве цепи электроны перестают двигаться упорядочено, хотя хаотичное движение их внутри металла будет продолжаться. Но при этом электрическое поле будет равно нулю и существование тока станет невозможным в принципе. Необходимо отметить, что по модулю суммарный заряд свободных электронов в данном случае равен общему заряду положительных ионов, но имеет противоположный знак. Этим и объясняется то, что металлический проводник при отсутствии поля остается в электрически нейтральном состоянии.
Если немного обобщить и расширить вышесказанное, то к необходимым условиям существования электрического тока в металлах, кроме свободных электронов и поля, можно добавить наличие источника электричества и требование неразрывности соединения в цепи.
Характеристики
Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц. Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света.
За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.
Разряд молнии – пример природного электричества
Выводы.
Вот и подошёл к концу опыт, представленный в 1-й части этой работы. Как видите, я постарался сделать эту работу предельно открытой и ясной. Думаю, что при упорстве и терпении любой желающий на собственном опыте сможет повторить этот опыт и лично убедиться в том, верно изложен мной материал или нет. Самым большим препятствием к этому будет поиск вибратора и его настройка, ну, или изготовление устройства, заменяющего его.
У посетителей канала может возникнуть вопрос, а зачем всё это надо? Поясняю.
– Для того, чтобы понять физический смысл процессов, происходящих в
конденсаторах и катушках индуктивности– тех ключевых элементах, на которых Н. Тесла строил свои устройства . Слишком много сил и времени требуется, чтобы изменить содержание собственного сознания. Понятно, что осилить эту работу смогут лишь единицы, зато этим результатом смогут воспользоваться многие.
Думаю, что результаты опыта, приведённого в 1-й части этой работы, смогут убедить каждого разумного
человека в том, что конденсатор в проведённом здесь опыте является регистратором ещё какой-тоскрытой составляющей электричества , ускользающей до сих пор от внимания исследователей. Она выражается конкретно в нулевом значении напряжения в момент максимума тока в цепи конденсатора. Это нам кажется, что в учебниках обо всём давно написано и подробно разъясняется. От того, чтодо сих пор отсутствовал опыт , представленный в данной работе,факт опережения тока в цепи конденсатора продолжаетприниматься как должное , без вопроса «почему опережает?», но теперь, видимо пришла пора изменить это положение дел.
Попробуем определить свойства новой составляющей, опираясь на данные, полученные в нашем опыте:
1) распространяется вдоль проводников;
2) регистрируется измерительными приборами, но только косвенно;
3) не производит работу;
4) поляризует диэлектрики, способствует разделению электрических зарядов;
5) позволяет конденсатору заряжаться или разряжаться.
Она распространяется по сети переменного тока, но не может сдвинуть стрелку прибора, зато кристалл светодиода хотя и не светится, но почему-то разрушается от её импульса!
Окончательные выводы о свойствах этой электрической составляющей мы будем делать в третьей части этой работы, после того, как будут получены аналогичные данные в опыте с катушкой индуктивности. Как известно, всё познаётся в сравнении. Поэтому у нас появится возможность сравнить между собой свойства двух полярных элементов – конденсатора и катушки индуктивности, а, следовательно, познать их
