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 6×10 18 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.

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

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, и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться . 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 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, и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока:

В жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
В вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
В , 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.

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.

Известно, что электрический ток заряженных частиц лежит в основе работы всей электротехники. Знание его величины дает понимание о режиме работы той или иной цепи, схемы. Если для специалиста электрика, электронщика не составит особого труда определить силу тока, то для новичка это может оказаться проблемой. В этой теме давайте с вами рассмотрим, какими именно способами можно узнать, вычислить, найти электрический ток используя как непосредственные измерения так и формулы.

Основными электрическими величинами являются напряжение, ток, сопротивление, мощность. Пожалуй главной формулой электрика является формула закона Ома. Она имеет вид I=U/R (ток равен напряжение деленное на сопротивление). Данную формулу приходится использовать повсеместно. Из нее можно вывести две другие: R=U/I и U=I*R. Зная любые две величины всегда можно вычислить третью. Напомню, что при использовании формул нужно пользоваться основными единицами измерения. Для тока это амперы, для напряжения это вольты и для сопротивления это омы.

К примеру, вам нужно быстро определить силу тока, которую потребляем электрочайник. Напряжение нам известно, это 220 вольт. Берем в руки мультиметр, электронный тестер, меряем сопротивление в омах. Далее мы просто напряжение перемножаем на это сопротивление. В итоге мы получаем искомую силу тока в амперах. Хочу уточнить, что данная форума работает только для цепей с активной нагрузкой (обычные нагреватели, лампы накаливания, светодиоды и т.д.). Для реактивной нагрузки формула имеет иной вид, где уже используется такие величины как индуктивность, емкость, частота.

Силу тока можно определить и по другой формуле, которая в себе содержит напряжение и мощность. Она имеет вид: I=P/U (сила тока равна электрическая мощность деленная на напряжение). То есть, 1 ампер равен 1 ватт деленный на 1 вольт. Две других формулы, выходящие из этой, имеют такой вид: P=U*I и U=P/I. Если вам известны любые две величины из тока, напряжения и мощности, всегда можно вычислить третью.

Помимо формул силу тока можно определить и практическим путем, через обычное измерение тестером, мультиметром. Для новичков сообщаю, что силу тока нужно измерять в разрыв электрической цепи. То есть, к примеру, у нас схема, прибор, с него выходит кабель с двумя проводами питания. Берем измеритель, выставляем на нем нужный диапазон измерения. Далее, один щуп измерителя мы прикладываем к одному из проводов питания устройства, а другой щуп измерителя к одному из контактов самого электропитания. Ну, и оставшийся провод, идущий от устройства мы также подсоединяем ко второму контакту питания. После включения самого устройства на измерителе появится величина тока, которую он потребляет при своей работе.

При измерении силы тока нужно помнить, что имеет значение какой вид тока течет по цепи (переменный или постоянный). Допустим, на большинство электротехники подается переменное напряжение, следовательно и измерять на входе ток нужно переменного типа. Внутри устройств обычно стоят блоки питания, которые снижают сетевое напряжение до меньших величин и делают его постоянным. Значит ту часть электрической цепи, что стоит после выпрямляющего диодного моста (делающая из переменного тока постоянный) уже нужно измерять как постоянный ток. Если вы попытаетесь измерить силу тока не своего типа, то и показания вы получите неверные.

Напряжение измеряют по другому. Измерительные щупы уже прикладываются не в разрыв цепи, как это делается у тока, а параллельно контактам питания. И в этом случае тип напряжения имеет значение (переменное или постоянное). Так что будьте внимательны, когда выставляете тип тока (напряжения) и их предел на тестере.

P.S. Именно сила тока в электротехнике делает всю работу, что мы воспринимаем как свет, тепло, звук, движение и т.д. Для облегчения понимания, что такое ток, а что такое напряжение можно привести аналогию с обычной водой. Так вот давление в воды в водопроводе будет соответствовать примерно электрическому напряжению, а движение самой воды это будет ток.

Рис 1.2

Основные понятия об электрической цепи.

Электрические цепи постоянного тока.

Электрической цепью называют совокупность гальванически соединенных друг с другом источников электрической энергии и ее потребителей (нагрузок), в которых может возникать электрический ток. С помощью источников тот или иной вид энергии (энергия сжигаемого топлива, падающей воды, атомная и химическая энергия и т.д.) преобразуется в электрическую энергию.

Приемники, наоборот, преобразуют электрическую энергию в другие ее виды (механическую, тепловую, химическую, энергию светового излучения и т.д.).

Графическое изображение электрической цепи с помощью условных обозначений ее элементов называется электрической схемой цепи.

Электрические цепи подразделяются на разветвленные и неразветвленные . Простейшая неразветвленная цепь представлена на рис. 1.1. Во всех элементах неразветвленной цепи действует один и тот же ток. Разветвленная цепь (рис. 1.2) имеет в своем составе ветви, узлы, контуры. Ветвь - это участок цепи, состоящий из последовательно соединенных элементов и заключенный между двумя узлами. В каждой ветви существует свой ток.

Узел - это точка в электрической схеме цепи, где гальванически соединяются не менее трех ветвей. Любой замкнутый путь на схеме называется контуром . Независимым называется контур, содержащий хотя бы одну ветвь, не включенную в иной контур.

Пример разветвленной электрической цепи приведен на рис. 1.2. В схеме два узла обозначенные буквами «а» и «b», три ветви, расположенные между узлами и два независимых контура.

Электрический ток и напряжение являются основными величинами, характеризующими состояние электрических цепей. Электрический ток в проводниках представляет явление упорядоченного движения электрических зарядов под действием электрического поля. Под словами ток понимают также интенсивность или силу тока, измеряемую количеством электрического заряда q , прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени:

, [A](1.1)

где ∆q - электрический заряд, прошедший за время ∆t через поперечное сечение проводника.

Следовательно, ток характеризует скорость изменения заряда во времени.

В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл), время - в секундах, а ток - в Амперах (А).

Ток является скалярной алгебраической величиной, знак которой зависит от направления движения одноименных зарядов, а именно условно принятого положительного заряда. Для однозначного определения знака тока достаточно произвольно выбрать одно из двух возможных направлений за положительное, которое отмечается стрелкой (см. рис. 1.2.). Перед началом анализа электрической цепи необходимо отметить во всех ветвях положительные направления токов, выбор которых может быть произвольным. Закон изменения тока во времени может быть выражен функцией времени произвольной формы.

Постоянным называется ток, значение которого неизменно во времени при неизменных параметрах электрической цепи. Постоянный ток принято обозначать буквой I.

Прохождение электрического тока в цепи связано с преобразованием или потреблением энергии. Для определения энергии, затрачиваемой при перемещении заряда между двумя рассматриваемыми точками проводника, вводят новую величину - напряжение .

Электрическим напряжением между двумя точками называют количество энергии, затрачиваемой на перемещение заряда из одной точки в другую.

, [В] (1.2.)

где W – энергия электрического поля. При измерении энергии в джоулях (Дж) и заряда в кулонах (Кл) напряжение измеряется в вольтах (В).

Для однозначного определения знака напряжения между двумя выводами рассматриваемого участка цепи одному из выводов условно приписывают положительную полярность, которую отмечают либо знаком <+>, либо стрелкой, направленной от вывода (рис. 1.3). Напряжение положительно, если его полярность совпадает с выбранной.

Обычно условно положительную полярность напряжения выбирают согласованной с выбранным положительным напряжением тока, когда стрелки для тока и напряжения совпадают. В цепях постоянного тока напряжение принято обозначать буквой U .

Из определения напряжения (1.2) получается выражение энергии W , затраченной на перемещение заряда q на участке цепи с напряжением U к моменту времени t :

(1.3)

Дифференцирование этого равенства во времени дает выражение мгновенной мощности p - скорости изменения энергии во времени:

Мощность измеряется в Ваттах (Вт). Мощность в электрической цепи постоянного тока обозначается буквой P и равна P=UI . Она является алгебраической величиной, знак которой определяется знаком напряжения и тока: при совпадении этих знаков мощность положительна (Р >0), что соответствует потреблению энергии в рассматриваемом участке цепи; при несовпадении знаков тока и напряжения мощность отрицательна (P <0), что означает выделение ее из участка цепи (такой участок является источником энергии).