Электрический ток и его характеристики

 

 

 

 

 

Электрический ток и его характеристики

 

Простейшая электрическая цепь состоит из источника электрической энергии (генератора) Г, ее потребителя и двух линейных проводников Л1 и Л2, соединяющих источник энергии с потребителем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источниками электрической энергии служат генераторы (устройства, которые превращают различные виды энергии – механическую, химическую, световую – в электрическую).

Источник электрической энергии и соединенный с ним линейными проводами потребитель этой энергии образуют замкнутую электрическую цепь, по которой протекает электрический ток.

Электрический ток - упорядоченное движение  электрических зарядов в проводимой среде, которое происходит под действием сил электрического поля.

Сила электрического тока определяется как количество электронов, протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени 1 с.

Единицей измерения силы тока является ампер, в системе СИ обозначается А, в других системах – а. Обозначают силу тока буквами I или i.

Энергия. Необходимая для беспрерывного протекания тока по электрической цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС). ЭДС источника тока не исчезает и при размыкании цепи. В этом случае ЭДС равна разности потенциалов (напряжению) на зажимах источника тока. Напряжение обозначается буквами U и u, измеряют в вольтах, в системе СИ обозначают В, а в других системах единиц – в.

Для измерения больших напряжений используется единица измерения киловольт 1кВ =1000 В. Малые величины напряжения и ЭДС измеряются в милливольтах 1мВ = 0,001В.

В рассматриваемых схемах электрический ток протекает под действием разности потенциалов (напряжения) на зажимах источника тока и направлен от точки с более высоким потенциалом (положительный заряд) к точке с более низким потенциалом (отрицательный заряд). За направление электрического тока условно принимают направление перемещения положительного заряда от полюса к минусу.

Если сила и направление тока не изменяются на протяжении времени, то такой ток называют постоянным.

Электрический ток, который периодически изменяется по силе и направлению, называется переменным.

 

Для получения переменного тока используются генераторы, в которых на исходных клеммах возникает то положительный заряд (плюс), то отрицательный заряд (минус). Переменный ток, кроме силы и напряжения, характеризуется периодом и частотой.

Периодом Т называется время, в течение которого переменный ток совершает одно полное изменение по величине и направлению.

Частотой называется число полных изменений переменного тока, которые происходят за 1 с.

Период измеряется в секундах (с), а частота – в герцах (Гц).

В различных областях техники используется электрический ток различных частот. На электростанциях нашей страны используются генераторы, которые вырабатывают переменный трехфазный ток частотой 50Гц.

 

Проводники электрического тока и диэлектрики

 

Материалы, проводящие электрический ток, называются проводниками. К ним относятся материалы, растворы кислот, щелочей и солей. В электротехнике в качестве материала для проводников широко используют медь и алюминий.

Материалы, которые практически не проводят электрический ток, называются диэлектриками. К ним относятся резина, слюда, пластмассы и другие материалы, а также воздух и газы. Диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов для электрической изоляции проводников друг от друга и от окружающей среды.

Направленному движению электронов в проводнике противодействуют его молекулы и атомы. Это противодействие принято оценивать электрическим сопротивлением. Электрическое сопротивление проводника обозначают буквой R. Единица измерения сопротивления – Ом. При измерении больших сопротивлений используется килом: 1 кОм = 103 Ом или мегаом: 1Мом = 106 Ом.

Сопротивление проводника зависит от его материала, длины поперечного сечения и температуры.

Закон Ома для участка и поной цепи:

 

I = U / R (для участка цепи);

I = E / R+r (для полной цепи),

 

где R – сопротивление внешнего участка цепи;

      Е – электродвижущая  сила;

      r - внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

Трехфазный электрический ток представляет собой совокупность трех цепей переменного тока, в которых одновременно действуют три синусоидальных ЭДС одинаковой частоты, с равными амплитудами, смещенными одна относительно другой на угол 2р/3 (1200). Совокупность таких ЭДС называется трехфазной системой ЭДС. Эту систему можно получить при вращении в однородном магнитном поле трех одинаковых обмоток, смещенных в пространстве на угол 2р/3 (1200).

Для характеристик энергетических условий важно, насколько быстро выполняется работа. Работа, которая выполняется за единицу времени, называется мощностью: P = A/t.

Если движение зарядов создавало постоянный ток, то q = i t, где t – время, в течение которого был перенесен заряд. Следовательно, работа, выполненная за время t, равна A = U I t. В электрической цепи при постоянном токе и напряжении мощность P = A/t = U I.

Заменив в этом выражении на основании закона Ома U = I R или I = U q, получим три выражения мощности постоянного тока:

P = V I = I2 R = U2 q.

Каждое выражение используется в определенных условиях расчета.

Единицей измерения мощности служит ватт.

Вт = В*А*с = Дж/с или Дж = Вт*с.

Ватт – это мощность, при которой за 1 с совершается работа, равная 1 Дж. В электрической цепи это мощность, которая затрачивается в проводнике при напряжении 1 В между его концами и при токе 1 А.

Для измерения больших мощностей

1 кВт = 103 Вт; 1 МВт = 106 Вт.

Прибор для измерения мощности – ваттметр – имеет две измерительные цепи (две катушки), из которых одна (цепь тока) включается, как амперметр, последовательно с объектом измерения, а другая (цепь напряжения) подключается к объекту параллельно, как вольтметр.

Так как основная единица работы и энергии Дж – малая величина, то в электроэнергетических установках для измерения работы используется более крупная величина – киловатт-час  (кВтч). Это работа, которая совершается за 1 ч при постоянной мощности в 1 кВт.

Значит, 1 кВтч = 3600000Дж.

Электрические сети низкого напряжения промышленных предприятий, как правило, выполняются четырехпроводными (три фазы и ноль), что дает возможность получить два различных напряжения. Четырехпроводная система широко используется для электроснабжения смешанных освитительно-силовых нагрузок.

Осветительные нагрузки включаются на фазное напряжение, 220 В (между фазой и нулевым проводом), а силовые нагрузки – на линейное напряжение 380 В (между двумя фазными проводами).