Какво представляват напрежението, тока и съпротивлението: как се използват на практика

В електротехниката термините «ток», «напрежение» и «съпротивление» се използват за описване на процесите, протичащи в електрическите вериги. Всеки от тях има свое собствено предназначение със специфични характеристики.

Електричество

Думата се използва за характеризиране на движението на заредени частици (електрони, дупки, катиони и аниони) през определена среда на вещество. Посоката и броят на носителите на заряд определя вида и силата на тока.

Основните характеристики на тока влияят върху практическото му приложение

Предпоставка за потока от заряди е наличието на верига или, с други думи, затворен контур, който създава условия за тяхното движение. Ако вътре в движещите се частици се образува празнина, тяхното насочено движение незабавно спира.

На този принцип работят всички превключватели и защити, използвани в електричеството. Те създават разделяне между движещите се контакти на проводимите части и чрез това действие прекъсват потока на електрически ток, изключвайки устройството.

В енергетиката най -разпространеният метод е създаването на електрически ток поради движението на електрони вътре в металите, направени под формата на проводници, гуми или други проводящи части.

В допълнение към този метод се използва и създаването на ток вътре:

1. газове и електролитни течности, дължащи се на движението на електрони или катиони и аниони — йони с положителни и отрицателни знаци на заряд;

2. среда от вакуум, въздух и газове, подложени на движение на електрони, причинено от явлението термионно излъчване;

3. полупроводникови материали поради движението на електрони и дупки.

Електрически ток може да възникне, когато:

• прилагане на външна електрическа потенциална разлика към заредени частици;

• отоплителни проводници, които в момента не са свръхпроводници;

• хода на химичните реакции, свързани с отделянето на нови вещества;

• ефектът на магнитно поле, приложено към проводника.

Формата на вълната на електрическия ток може да бъде:

1. константа под формата на права линия на времевата линия;

2. променлива синусоидална хармоника, добре описана от основните тригонометрични отношения;

3. меандър, грубо наподобяващ синусоида, но с остри, изразени ъгли, които в някои случаи могат да бъдат добре изгладени;

4. пулсиращ, когато посоката остава същата без промяна, а амплитудата периодично се колебае от нула до максималната стойност според добре дефиниран закон.

Електрическият ток може да бъде полезен за човек, когато:

• преобразувани в светлинно излъчване;

• създава нагряване на термични елементи;

• извършва механична работа поради привличане или отблъскване на подвижни арматури или въртене на ротори с задвижвания, закрепени в лагери;

• генерира електромагнитно излъчване в някои други случаи.

Когато електрическият ток преминава през проводниците, може да се причини вреда, причинена от:

• прекомерно нагряване на токопроводящи вериги и контакти;

• образование вихрови токове в магнитните вериги на електрическите машини;

• излъчване на електричество електромагнитни вълни в околната среда и някои подобни явления.

Проектантите на електрически устройства и разработчиците на различни схеми вземат предвид изброените възможности за електрически ток в своите устройства. Например, вредното въздействие на вихровите токове в трансформатори, двигатели и генератори се смекчава чрез смесване на жилата, използвани за предаване на магнитни потоци. В същото време вихровият ток успешно се използва за загряване на средата в електрическите фурни и микровълнови печки, работещи на индукционен принцип.

Променлив електрически ток със синусоидална форма на вълната може да има различна честота на трептене за единица време — секунда. Промишлената честота на електрическите инсталации в различни страни е стандартизирана с числата 50 или 60 херца. За други цели на електротехниката и радио бизнеса се използват сигнали:

• нискочестотни, с по-ниски стойности;

• високочестотни, значително надхвърлящи обхвата на индустриалните устройства.

Обикновено се приема, че електрически ток се създава от движението на заредени частици в определена макроскопична среда и се нарича ток на проводимост… Въпреки това, друг вид ток, наречен конвекция, може да възникне, когато макроскопично заредени тела се движат, например, дъждовни капки.

Как се образува електрически ток в металите

Движението на електрони под въздействието на постоянна сила, приложена към тях, може да се сравни с спускането на парашутист с отворен навес. И в двата случая се получава равномерно ускорено движение.

Парашутистът се движи поради гравитацията към земята, на което се противопоставя силата на въздушното съпротивление. Електроните се влияят от приложената към тях сила електрическо поле, а движението му е възпрепятствано от непрекъснати сблъсъци с други частици — йони на кристални решетки, поради което част от ефекта на приложената сила се гаси.

И в двата случая средната скорост на парашутиста и движението на електрони достига постоянна стойност.

Това създава доста уникална ситуация, когато скоростта:

• правилното движение на един електрон се определя от стойност от порядъка на 0,1 милиметър в секунда;

• потокът на електрически ток съответства на много по -висока стойност — скоростта на разпространение на светлинните вълни: около 300 хиляди километра в секунда.

Поради това, дебит на електрически ток се създава на мястото, където е приложено напрежение към електроните, и в резултат на това започва да се движи със скоростта на светлината вътре в проводимата среда.

Когато електроните се движат в кристалната решетка на метал, възниква друга интересна закономерност: сблъсъкът му се случва с около всеки десети противоион. Тоест, той успешно избягва около 90% от сблъсъците с йони.

Това явление може да се обясни не само със законите на фундаменталната класическа физика, както обикновено се разбира от повечето хора, но и с допълнителните действащи закони, описани от теорията на квантовата механика.

Ако накратко изразим тяхното действие, тогава можем да си представим, че движението на електроните вътре в металите е възпрепятствано от тежки «люлеещи се» големи йони, които осигуряват допълнително съпротивление.

Този ефект е особено забележим при нагряване на метали, когато «люлеенето» на тежки йони се увеличава и намалява електрическата проводимост на кристалните решетки на проводниците.

Следователно, когато металите се нагряват, тяхното електрическо съпротивление винаги се увеличава, а когато се охлади, тяхната проводимост се увеличава. Когато температурата на метала се понижи до критични стойности, близки до стойността на абсолютната нула, явлението свръхпроводимост възниква в много от тях.

Електрическият ток, в зависимост от стойността си, е в състояние да извършва различни работи. За количествена оценка на неговите възможности се приема стойност, наречена сила на тока. Размерът му в международната измервателна система е 1 ампер.За да се обозначи текущата сила в техническата литература, се приема индексът «I».

Електрическо напрежение

Този термин се използва като характеристика на физическа величина, която изразява изразходваната работа при прехвърляне на електрически заряд на изпитвателна единица от една точка в друга, без да се променя естеството на поставянето на останалите заряди върху действащите източници на поле.

Тъй като началната и крайната точки имат различни енергийни потенциали, работата по преместване на заряда или напрежението съвпада със съотношението на разликата между тези потенциали.

Използват се различни термини и методи за изчисляване на напрежението в зависимост от протичащите токове. Не може да бъде:

1. постоянен — ​​в електростатични и постоянни токови вериги;

2. променлив — във вериги с променлив и синусоидален ток.

За втория случай се използват такива допълнителни характеристики и видове напрежение, като:

• амплитуда — най -голямото отклонение от нулевото положение на оста на абсцисата;

• мигновена стойност, която се изразява в определен момент от времето;

• ефективна, ефективна или, наречена по друг начин, средноквадратична стойност, определена от активната работа, извършена за един полупериод;

• коригирана средна стойност, изчислена по модул коригираната стойност на един хармоничен период.

За количествена оценка на напрежението беше въведена международната единица от 1 волта и символът «U» стана нейното обозначение.

При транспортиране на електрическа енергия през въздушни линии, конструкцията на опорите и техните размери зависят от стойността на използваното напрежение. Стойността му между проводниците на фазите се нарича линейна и спрямо всеки проводник и земна фаза.

Това правило важи за всички видове въздушни линии.

В битовите електрически мрежи на нашата страна стандартът е трифазно напрежение от 380/220 волта.

Електрическо съпротивление

Терминът се използва за характеризиране на свойствата на дадено вещество, за да отслаби преминаването на електрически ток през него. В този случай могат да бъдат избрани различни среди, температурата на веществото или неговите размери могат да се променят.

В DC ​​вериги съпротивлението извършва активна работа, поради което се нарича активно. За всеки участък той е правопропорционален на приложеното напрежение и обратно пропорционален на преминаващия ток.

В схемите на променлив ток са въведени следните понятия:

• импеданс;

• съпротивление на вълните.

Електрическият импеданс се нарича също сложен или импеданс с неговите съставни части:

• активен;

• реактивен.

Реактивността от своя страна може да бъде:

• капацитивен;

• индуктивни.

Описани са връзките между импедансните компоненти триъгълник на съпротивлението.

При изчисляване на електродинамиката импедансът на вълната на електропровода се определя от съотношението на напрежението от падащата вълна към стойността на тока, преминаващ по вълновата линия.

Стойността на съпротивлението се приема като международна мерна единица от 1 Ohm.

Връзката на ток, напрежение, съпротивление

Класически пример за изразяване на връзката между тези характеристики е сравнение с хидравлична верига, при която силата на движение на потока от живот (аналог — величината на тока) зависи от стойността на силата, приложена към буталото ( създадено напрежение) и характера на поточните линии, направени от стеснения (съпротивление).

Математическите закони, описващи връзката на електрическо съпротивление, ток и напрежение, са публикувани и патентовани за първи път от Георг Ом. Той изведе законите за цялата верига на електрическата верига и нейната секция. Вижте тук за повече подробности: Приложение на закона на Ом в практиката

За измерване на основните електрически количества електроенергия се използват амперметри, волтметри и омметри.

Амперметър измерва тока, протичащ през веригата.Тъй като не се променя в цялата затворена зона, амперметърът се поставя навсякъде между източника на напрежение и потребителя, създавайки преминаване на заряди през измервателната глава на устройството.

Волтметър се използва за измерване на напрежението на клемите на потребителя, свързани към източника на ток.

Измерванията на съпротивлението с омметър могат да се извършват само при изключен потребител. Това е така, защото омметърът извежда калибрирано напрежение и измерва тока, протичащ през измервателната глава, който се преобразува в ома чрез разделяне на напрежението на стойността на тока.

Всяко свързване на външно напрежение с ниска мощност по време на измерването ще създаде допълнителни токове и ще изкриви резултата. Като се има предвид, че вътрешните вериги на омметъра са с ниска мощност, тогава в случай на погрешни измервания на съпротивлението при подаване на външно напрежение, устройството доста често се проваля поради факта, че вътрешната му верига изгаря.

Познаването на основните характеристики на тока, напрежението, съпротивлението и взаимоотношенията между тях позволява на електротехниците да изпълняват успешно работата си и надеждно да експлоатират електрическите системи, а грешките, допуснати много често, завършват с инциденти и наранявания.