Содержание
- 1 Закон Ома
- 2 Как электроны движутся в проводнике
- 3 Когда же справедлив закон Ома
- 4 Полупроводники в сильном электрическом поле
- 5 Эффект Ганна
- 6 Нарушение закона Ома при больших токах
«Бди!»— чаще пользуйтесь этим советом Козьмы Пруткова, когда речь идет о законах. В частности — о законах физики. Вспомним, например, закон Ома: ток пропорционален напряжению. Оказывается, бывает и не так. И хорошо! Если бы этот закон соблюдался всегда, то мы остались бы без многих электро- и радиотехнических устройств. К счастью, закон Ома, как и большинство законов физики, имеет ограниченную область применимости. Именно за пределами действия этого закона и возникают интересные физические явления, обеспечивающие работу этих устройств. Сами по себе эти явления очень интересны, но сегодня мы обсудим другой вопрос: из-за чего нарушается закон Ома?
Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному?
Отвечает:
старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.
Достоверно известно, что электрический ток — это направленное движение электронов или, в некоторых случаях, положительных или отрицательных ионов. Электричество как таковое также связано с понятием ЭДС, то есть для тока в проводнике нужна разность потенциалов.
Тогда направление движения тока при движении электронов и отрицательно заряженных ионов будет от отрицательного полюса к положительному, так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Движение же положительных ионов будет связано с движением обратным по направлению.
Почему тогда официально считается, что ток идет всегда от плюса к минусу и такое же направление указывается на электрических схемах?! Преподаватели физики мне отвечали, что так сложилось исторически, но ведь в двух случаях из трех это ошибка. Так тогда как понимать?
Дело в том, что электрический ток стали изучать задолго до того, как разобрались с его «переносчиками». Наверное, первые систематические опыты с ним можно датировать 1801 годом, когда итальянский учёный Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную.
Так возникла первая батарея — Вольтов столб, хотя, безусловно, электрические явления не были в тот период новостью. Например, в то же время Бруньятелли осуществил посеребрение, оцинкование и омеднение электродов. Позже последовали опыты Эрстеда, Ампера, Ома, Фарадея и множества других исследователей.
В 1861-1862 годах английский физик Джеймс Кларк Максвелл опубликовал свои труды, которые привели к возникновению четырёх уравнений Максвелла — своеобразное обобщение всех классических электрических и магнитных явлений. Исследования об электричестве и магнетизме стали единой классической электродинамикой.
Электроны в чистом виде были выделены только в 1869 году немецким исследователем Иоганном Вильгельом Гитторфом, когда он впервые наблюдал катодные лучи — потоки электронов, испускаемых катодом.
Они используются в старых телевизорах, осциллографах, радиолампах и электронных микроскопах.
Это случилось уже позже формирования уравнений Максвелла, кроме того, на осознание, что именно такое катодные лучи, то есть на собственно открытие электрона ушло ещё 28 лет, пока этим вопрос вплотную не занялся английский физик Джозеф Джон Томсон.
Как определить силу тока в розетке 220в?
instrument.guru > Электричество > Как определить силу тока в розетке 220в?
Практически любые помещения, будь то жилые или производственные, оснащены розетками для подключения электрических приборов.
Для стабильной и безопасной работы электроприборов необходимо знать не только напряжение в сети (стандартное 220 вольт), но и силу тока, на которую рассчитана розетка.
Необходимо отметить, что это электротехническое оснащение само по себе не имеет никакой силы тока, оно только выдерживает определённую величину при подключении какой-либо бытовой или промышленной техники.
Методы определения силы тока
Прибором амперметром. Амперметр – измерительное устройство, которое определяет силу тока и показывает её на имеющейся шкале. Для этого необходимо последовательно соединить замкнутую цепь: розетку, единицу бытовой техники, амперметр и опять розетку. Вместо амперметра, можно использовать мультиметр – комбинированный прибор, включающий вольтметр, амперметр и омметр. Погрешность измерений силы тока на конкретном участке цепи будет зависеть от класса точности измерительного устройства.
Расчётным методом
Для применения расчётного метода необходимо знать значение мощности подключаемого прибора.Принимая во внимание, что в нашей стране в основной части помещений подаётся стандартное напряжение в сети 220 вольт, рассчитать силу тока в розетке 220в можно по следующей формуле:
I = P / U, где I – сила тока (ампер); P – мощность электроприбора (ватт); U – напряжение в сети (вольт).
Таким методом определяется, сколько ампер в розетке 220в. Например, по формуле можно рассчитать, какой ток в розетке 220в при подключении обычного электрического чайника мощностью 2,5 киловатт или 2500 ватт. Получится величина 11,36 ампер.
Характеристики тока
Подсчитывая величину силы тока, которую поддерживает розетка, необходимо уточнить характеристику тока. Их существует две: постоянный ток и переменный.
Переменный получил наибольшее распространение в сфере потребления электроэнергии, так как его потери при передаче на большие расстояния существенно меньше.
В случае необходимости производится преобразование с помощью схем приборов-потребителей. Таким образом, розетка поддерживает переменный ток в 220 вольт.
Виды электророзеток
Техника, используемая в быту, имеет различные характеристики по своей мощности, следовательно, и электрофурнитура в помещениях должна быть соответствующая. Сегодняшние бытовые устройства более мощные, чем старые образцы техники.
Ещё 20 лет назад для всех устройств могла подойти розетка с ограничением в 6 ампер. Такой разъём был предназначен для техники, имеющей мощность до 1,5 киловатт или 1500 ватт. Для современного быта это недостаточно.
Сейчас ограничение нагрузки составляет:
- 16 ампер для обычных помещений, что гарантирует безопасное функционирование потребителей мощностью до 3,5 киловатт;
- 25 ампер для квартир или домов, где устанавливаются электрические плиты мощностью до 6 киловатт. Такие розетки называются силовыми;
- 32 ампера при повышенных нагрузках на сеть, например, при подключении в производстве несколько мощных духовых шкафов или плит. В этом случае применяется трёхфазный кабель, который рассчитан на 380 вольт. Соответственно розетки также должны быть трёхфазными. Такое оснащение отличается по своей конструкции. При наличии повышенной нагрузки на сеть в частном доме, кроме установки специального оснащения, требуется ещё и усиленная электрическая проводка.
Необходимость автоматического выключения питания
Автоматический выключатель – важный элемент в системе электроснабжения помещения. На распределительных щитках имеются специальные устройства, на которых отмечено сколько ампер максимально допустимого тока. Обычно для бытовых целей устанавливаются автоматы на 16, 25 или 32 ампера.
Рекомендуется на каждый мощный прибор устанавливать свой автоматический выключатель. Например, электрическая плита имеет мощность 6 киловатт или 6000 ватт, следовательно, сила тока будет 27 ампер при напряжении в 220 вольт.
В этом случае необходим автомат на большую величину, а именно на 32 ампера.
Сила и плотность тока
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:
Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.
Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока. Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).
В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.
Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:
где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:
Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2) , плотность тока измеряется в А/м2.
Из чего состоит ток (свойства)?
Движение заряженных частиц по цепи обуславливает проявление следующих электрических свойств:
- Тепловых. При движении заряженных частиц по проводнику (полупроводнику), его температура повышается. Данное явление лежит в основе работы нагревательных приборов (плиты, обогреватели, чайники и др.). Количество образовавшейся тепловой энергии зависит от напряжения на данном участке цепи, времени протекания самого тока и подчиняется закону Джоуля-Ленца.
- Химических. Электролиты, имеющие в своем составе положительные ионы, проходят через процесс электролиза. Он представляет собой процесс окислительно-восстановительного характера, происходящего на электродах в процессе движения заряженных частиц сквозь раствор или расплав. К положительно заряженному аноду, в результате электролиза, присоединяются анионы с отрицательным зарядом, к отрицательному катоду притягивается положительный катион. Таким образом, вещества, которые присутствуют в электролите после электролиза выделяются на электродах источника электричества.
Электролиз
Магнитных. При прохождении заряда сквозь проводник, вокруг него возникает пространство магнитного характера. Проводник характеризуется магнитными свойствами. Если вблизи от него находится, например, стрелка компаса, она примет положение перпендикулярное проводящему предмету. Первым ученым, наблюдавшим магнитные свойства, стал Эрстед в 1820 году, а цифровые закономерности этого процесса установил Ампер.
Магнитное поле проводника
- Световых. Ярким примером проявления подобных свойств является лампа накаливания. Ее нагревательный элемент в виде спирали, в результате прохождения по ней тока, нагревается и начинает светиться белым светом. На долю световой энергии приходится 5% от общего количества электроэнергии, остальная превращается в тепло.
- Механических. Любой проводник, после прохождения по нему заряженных частиц, отмечается наличием вокруг себя магнитного поля. Магнитные действия преобразовываются в движения. Явление нашло применение в реле, электродвигателях, магнитных подъемниках и других устройствах. Механические свойства объясняются законом Ампера, который был сформулирован еще в 1820 году.
Важно! Исходя из выше изложенной информации, можно сделать вывод, что ток может обеспечивать различного рода воздействия, которые проявляют себя как по отдельности, так и в комбинациях
Направление электрического тока
Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?
Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.
Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1 ; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).
Рис. 1. Направление тока
Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.
Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.
Направление электрического тока
Свободные электроны.. Электрический ток.. Измерение тока.. Амперметр.. Единица силы тока — Ампер.. Направление электрического тока.. Направление движения электронов..
- Когда электрическое поле прикладывается к проводнику, свободные электроны (носители отрицательного заряда) начинают дрейфовать в соответствии с направлением электрического поля – возникает электрический ток.
- Движение электронов означает движение отрицательных зарядов, следовательно, – электрический ток является мерой количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени.
- Измерение тока
- Единица силы тока Кулон в секунду в системе СИ имеет конкретное название Ампер (А) – в честь знаменитого французского ученого Андре-Мари Ампера (на фото в заголовке статьи).
В международной системе СИ единица измерения заряда – Кулон, а единица времени – секунда. Поэтому единица силы тока – Кулон в секунду (Кл/сек).
Как мы знаем, величина отрицательного электрического заряда электрона -1,602 • 10-19 Кулона. Поэтому один Кулон электрического заряда состоит из 1 / 1,602 • 10-19 = 6,24 • 1018 электронов. Следовательно, если 6,24 • 1018 электронов пересекает поперечное сечение проводника за одну секунду, то величина такого тока равна одному амперу.
Для измерения силы тока существует измерительный прибор — амперметр.
Рис. 1
Амперметр включается в электрическую цепь (рис. 1) последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором необходимо измерить. При подключении амперметра нужно соблюдать полярность: «плюс» амперметра подключается к «плюсу» источника тока, а «минус» амперметра — к «минусу» источника тока.
Направление электрического тока
Если в электрической цепи, показанной на рис. 1 замкнуть контакты выключателя, то по этой цепи потечет электрический ток. Возникает вопрос: «А в каком направлении?»
Мы знаем, что электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц – электронов (в других средах это могут быть ионы или ионы и электроны).
Отрицательно заряженные электроны во внешней цепи двигаются от минуса источника к плюсу (одноименные заряды отталкиваются, противоположные — притягиваются), что хорошо иллюстрирует рис.
2.
Рис. 2 Учебник физики за 8 класс дает нам другой ответ: «За направление электрического тока в цепи принято направление движения положительных зарядов», — то есть от плюса источника энергии к минусу источника.
Выбор направления тока, противоположного истинному, иначе как парадоксальным назвать нельзя, но объяснить причины такого несоответствия можно, если проследить историю развития электротехники.
Дело в том, что электрические заряды стали изучать задолго до того, как были открыты электроны, поэтому природа носителей заряда в металлах была еще неизвестна.
Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл американский ученый и политический деятель Бенджамин Франклин.
В своей работе «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747 г.) Франклин предпринял попытку теоретически объяснить электрические явления. Именно он первым высказал важнейшее предположение об атомарной, «зернистой» природе электричества: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими».
Франклин полагал, что тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно, а тело, теряющее электричество, заряжается отрицательно. При их соединении избыточный положительный заряд перетекает туда, где его недостает, то есть к отрицательно заряженному телу (по аналогии с сообщающими сосудами).
Эти представления о движении положительных зарядов широко распространились в научных кругах и вошли в учебники физики. Так и получилось, что действительное направление движения электронов в проводнике противоположно принятому направлению электрического тока.
После открытия электрона ученые решили оставить все как есть, поскольку пришлось бы очень многое изменять (и не только в учебниках), если указывать истинное направление тока. Также это связано и с тем, что знак заряда практически ни на что не влияет, пока все используют одно и то же соглашение.
Откуда берется электрический ток
Движение заряженных частиц появляется в результате действия, производимого аккумуляторами, батареями, генераторами и другими устройствами, преобразующими различные виды энергии в электрическую. Закон сохранения энергии наглядно действует в процессе таких преобразований.
Сами частицы начинают двигаться, когда цепь становится замкнутой, а в проводнике возникает электрическое поле, оказывающее определенное воздействие на свободные электроны. В связи с этим было установлено, что все источники тока обладают установленной электродвижущей силой или ЭДС.
Электроны не появляются из источников тока, они присутствуют в самих проводниках и, являясь свободными, начинают двигаться под действием созданного поля. В качестве наиболее яркого сравнительного примера выступает насос перекачивающий жидкость в трубах, замкнутых между собой. В зависимости от диаметра труб и количества разветвлений, жидкость может двигаться по ним с большей или меньшей скоростью. Эти свойства в полной мере характеризуют течение тока, которое изменяется в соответствии с сечением проводника.
На практике это выглядит следующим образом. Провод, сечением 1,5 мм2, рассчитан на максимальную силу тока в 16 А. К нему может быть подключена нагрузка не более 3-3,5 кВт. При подключении более мощного оборудования проводник не выдержит и выйдет из строя.
Разобравшись с источниками тока, необходимо определить его направление, которое приняли ученые после проведенных исследований в этой области. Условно было принято направление движения положительных зарядов, поскольку ток от положительного полюса движется к отрицательному полюсу источника тока.
Движение электронов в металлах до появления электрического поля
То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.
Как мы уже знаем, вокруг ядра атомов движутся электроны.
Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?
Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день (Рис. 3).
Рис. 3. Движение электронов внутри металлического проводника ()
Почему надо знать историю физических открытий
Природу электрических явлений пытались объяснить многие исследователи задолго до открытия электрона (1897 г.). Впервые к пониманию о существовании двух типов зарядов — положительных и отрицательных пришел американский физик Бенджамин Франклин в 1747 г. На основе своих наблюдений он предположил (выдвинул гипотезу), что существует некая “электрическая материя”, состоящая из мелких, невидимых частиц. Он же первым ввел обозначение для электрических зарядов “−” и “+”. Франклин предложил считать, что если тело наполняется электрической материей, то оно заряжается положительно, а если оно теряет электричество, то заряжается отрицательно. В случае замыкания (соединения) цепи положительный заряд потечет туда, где его нет, то есть к “минусу”. Эта плодотворная гипотеза стала популярной, получила свое признание среди ученых, вошла в справочники и учебные пособия.
Конечно, после открытия отрицательно заряженного электрона, эта “нестыковка” реального направления движения с ранее общепринятым была обнаружена. Однако, мировым научным сообществом было принято решение оставить в силе предыдущую формулировку о направлении тока, поскольку в большинстве практических случаев это ни на что не влияет.
В случае необходимости, для объяснения отдельных физических эффектов в полупроводниках и искусственных материалах (гетероструктурах), принимается во внимание настоящее направление движения электронов. Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель. Он является одним из авторов конституции США
В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет
Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет
Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель. Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет.
Рис. 3. Изображение купюры 100 долларов США с портретом Бенджамина Франклина.
Что такое электрический ток?
Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.
Как всё начиналось
Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».
Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.
Рис. 1. Опыт с заряженными телами
Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.
Определение
В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».
Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.
Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.
Рисунок 2. Электрофорная машина
Источники тока
Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.
С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.
Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.
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.
Несколько слов о силе тока, и для чего ее бывает нужно измерять
Для начала вспомним, что же это такое – сила электрического тока.
Этот показатель (I) измеряется в амперах и входит в число основных физических величин, определяющих параметры той или иной электрической цепи. К двум другим относят напряжение (U, измеряется в вольтах) и сопротивление нагрузки (R, измеряется в омах).
Как преподносилось в школьном курсе физики, электрический ток является направленным движением заряженных частиц по проводнику. Если рассматривать с большим упрощением, вызывается он электродвижущей силой, возникающей из-за разности потенциалов (напряжения) на полюсах (клеммах, контактах) подключенного источника питания. По своей сути сила тока показывает количество этих самых заряженных частиц, проходящих через конкретную точку (элемент схемы) в единицу времени (секунду).
На величину силу тока в цепи влияют два других параметра. Напряжение связано прямой пропорциональностью – так, например, его увеличение вызывает и повышение силы тока. Сопротивление – наоборот, то есть с его ростом при том же напряжении сила тока снижается.
Забавная картинка, наглядно демонстрирующая взаимосвязь основных величин электрической цепи: «Вольт стремится «пропихнуть» Ампер по проводнику, преодолевая препятствия, чинимые Омом».
А слева на иллюстрации показано графическое, удобное для восприятия, изображение закона Ома, показывающего эти взаимосвязи. Из этой «пирамиды» легко составляются формулы в их привычном написании:
U = I × R
I = U / R
R = U / I
Итак, сила тока измеряется в амперах. С некоторым упрощением можно объяснить так, что 1 ампер – это ток, который возникнет в проводнике сопротивлением 1 ом, если к нему приложить напряжение, равное одному вольту.
Кроме основной единицы, используют и производные. Так, довольно часто приходится иметь дело с миллиамперами. Из самого термина понятно, что 1 мА = 0.001 А.
Кстати, сразу упомянем, и про мощность. Ток в 1 ампер, вызванный напряжением 1 вольт, выполнит работу в 1 джоуль. А если это привести к единице времени (секунде), то получится значение мощности, равное 1 ватту.
Это определяется формулой закона Джоуля-Ленца:
P = U × I
где Р – мощность, выраженная в ваттах.
Для чего все это рассказывалось? Да просто потому, что большинство случаев замера силы тока, так сказать, на бытовом уровне, так или иначе связано с определением других параметров. Согласитесь, мало кому придет в голову мысль: «а дай-ка я проверю силу тока просто так», то есть без дальнейшего практического приложения. Тем более что, как уже упоминалось выше, работа с амперметром – наиболее сложная и зачастую небезопасная.
Например, в каких случаях чаще всего замеряют силу тока:
- Для уточнения реальной потребляемой мощности того или иного бытового электроприбора. Промерив значения силы тока и напряжения несложно по формуле вычислить и мощность.
- Этот же промер и последующий расчет позволяют оценить, советует ли подводимая линия питания таким нагрузкам.
- Случается, что подобные «ревизии» позволяют выявить пока еще скрытые, незамеченные дефекты прибора – когда значение силы тока (и мощности, соответственно) намного отличаются от заявленного в паспорте номинала в ту или иную сторону.
- Измерения силы тока позволяют оценить степень заряженности автономных источников питания – аккумуляторов и батареек. Проверка их по напряжению никогда не дает объективной картины. Вольтметр может показать, скажем, положенные 1.5 вольта, но уже спустя несколько минут элемент питания безнадежно «сядет». То есть проверку следует проводить именно измерением силы тока.
- Таким измерением можно выявить утечку тока, там, где ее по идее быть не должно. Это часто практикуется автомобилистами, если у них есть подозрения, что аккумулятор слишком активно разряжается, когда машина «отдыхает» в гараже или на стоянке. Проведенная проверка позволяет локализовать участок утечки и избежать, кстати, немалых проблем, к которым она может привести.
Цены на мультиметры
мультиметр
Умение замерять силу тока позволяет выявить утечку в электрохозяйстве автомобиля
Иногда требует проверки зарядное устройство аккумулятора – выдает ли оно необходимое значение тока зарядки.
Возможны и иные случаи, когда требуется иметь объективные данные о реальной силе тока. Но основные случаи все же перечислены.
