Постоянный ток

Переменный ток

(Alternating Current) или АС английская аббревиатура обозначающая ток, который меняет на временном отрезке свое направление и величину. На электрических схемах и корпусах электрических аппаратов, работающих от переменного тока, символ переменного тока обозначают как отрезок синусоиды «~». Если говорить о переменном токе простыми словами, то можно сказать что в случае подключения электрической лампочки к сети переменного тока плюс и минус на ее контактах будут меняться местами с определенной частотой или иначе, ток будет менять свое направление с прямого на обратное. На рисунке обратное направление – это область графика ниже нуля.

Теперь давай разберемся, что такое частота. Частота это — период времени, в течение которого ток выполняет одно полное колебание, число полных колебаний за 1 с называется частотой тока и обозначается буквой f. Частота измеряется в герцах (Гц) . В промышленности и быту большинства стран используют переменный ток с частотой 50 Гц. Эта ве6личина показывает количество изменений направления тока за одну секунду на противоположное и возвращение в исходное состояние. Иными словами в электрической розетке, которая есть в каждом доме и куда мы включаем утюги и пылесосы, плюс с минусом на правой и левой клеммах розетки будет меняться местами с частотой 50 раз в секунду — это и есть, частота переменного тока. Для чего нужен такой “переменчивый “ переменный ток, почему не использовать только постоянный? Это сделано для того, чтобы получить возможность без особых потерь получать нужное напряжение в любом количестве способом применения трансформаторов. Использование переменного тока позволяет передавать электроэнергию в промышленных масштабах на значительные расстояния с минимальными потерями.

Напряжение, которое подается мощными генераторами электростанций, составляет порядка 330 000-220 000 Вольт. Такое напряжение нельзя подавать в дома и квартиры, это очень опасно и сложно с технической стороны. Поэтому переменный электрический ток с электростанций подается на электрические подстанции, где происходит трансформация с высокого напряжения на более низкое, которое мы используем.

Постоянный электрический ток

Постоянный ток (DC — аббревиатура от англ. Direct Current) — не изменяющийся, в отличие от переменного по времени и по направлению (подразумевается направление движения заряженных частиц, поддерживаемое электрическим полем) электрический ток.

В любой точке проводника, с протекающим по нему постоянным током (далее ПТ), происходит постоянная смена электрических зарядов. Таким образом, общее пространственное их нахождение в проводнике постоянно остаётся неизменным в течении времени.

Как видно из графика. значения силы тока (I) и напряжения (U) в каждый момент времени (T) остаются постоянными.

Источниками ПТ могут быть генераторы ПТ, аккумуляторы, блоки питания, понижающие сетевое напряжение переменного тока и преобразующие его в постоянное.

Основные параметры ПТ и напряжения:

Ток («сила тока») — основной параметр, определяющий количество электричества Q, протекающее через проводник в течении единицы времени t. Единицей измерения силы тока, принятой в Международной системе единиц (СИ) является Ампер (A). 1 Ампер составляет перемещенное количество электричества в 1 Кулон за 1 секунду.

Плотность тока (j) — сила тока, протекающего через единицу площади, выражается отношением тока к площади поперечного сечения проводника (S) :

j=I/S

Единица измерения плотности тока в проводниках, принятая в СИ — A/мм2.

Напряжение — физическая величина, представляющая собой разность потенциалов, создаваемая источником питания на своих зажимах. Численно определяет работу, совершаемую при прохождении заряда от одной произвольной точки электрической цепи к другой.

Единица измерения напряжения, принятая в системе СИ — Вольт (В). Так, если разность потенциалов между двумя данными точками электроцепи составляет 1 В, то для перемещения между этими точками заряда величиной в 1 Кулон расходуется работа величиной в 1 Джоуль.

Важная характеризующая величина, представляющая собой разность между максимальным и минимальным значением напряжения в течении определенного промежутка времени называется размахом пульсации напряжения .

Применение ПТ. Электроэнергия ПТ используется для питания электронных схем автоматики, сигнализации и пр., в промышленности — для питания электролизных установок, гальванизации, гальванопластике, сварочных работах и т. д.

Определение 1

Постоянный ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, движущихся в одном направлении.

По теории данные заряженные частицы относят к носителям тока. В проводниках и полупроводниках такими носителями являются электроны, в электролитах – заряженные ионы, в газах – электроны и ионы. Металлы характеризуются перемещением только электронов. Отсюда следует, что электрический ток в них – это движение электронов проводимости.

Результат прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих растворах заметно отличается. Наличие химических процессов в металлах при протекании тока отсутствует. В электролитах под воздействием тока происходит выделение ионов вещества на электродах. Различие заключается в отличии носителей зарядов металла и электролита. В металлах – это свободные электроны, отделившиеся от атомов, в растворах – ионы, атомы или их группы с зарядами.

Механизм осуществления постоянного тока

Для постоянного прохождения тока в проводнике следует подсоединить к проводнику или их совокупности устройство, в котором постоянно происходит процесс разделения электрических зарядов для поддержания напряжения в цепи. Данный механизм получил название источника тока (генератора).

Силы, разделяющие заряды, называют сторонними. Они характеризуются неэлектрическим происхождением, действуют внутри источника. При разделении зарядов сторонние силы способны создать разность потенциалов между концами цепи.

Если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил равняется нулю. Отсюда следует, что суммарная работа сил A, действующих на заряд, равна работе сторонних Ast. Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется как:

ε=Aq (1), где значение q подразумевает положительный заряд. Его движение происходит по замкнутому контуру. ЭДС – это не сила. Единица измерения ε=В.

Природа сторонних сил различна. В гальваническом элементе они являются результатом электрохимических процессов. В машине с постоянным током такой силой является сила Лоренца.

Основные характеристики электрического тока

Условно принято считать направление тока за направление движения положительных частиц. Отсюда следует, что направление тока в металлах характеризуется противоположным направлением относительно направления движения частиц.

Электрический ток обладает силой тока.

Определение 3

Сила тока I – скалярная величина, равняется производной от заряда q по времени для тока, который проходит через поверхность S:

I=dqdt (2).

Ток может быть постоянным и переменным. При неизменной силе тока с его направлением по времени ток называют постоянным, а выражение силы тока для него примет вид:

I=qt (3), где сила тока рассматривается в качестве заряда, проходящего через поверхность S в единицу времени.

По системе СИ основная единица измерения силы тока – Ампер (А).

1 A=1 Кл1 с.

Определение 4

Плотность – это векторная локальная характеристика. Вектор плотности тока j→способен показывать, каким образом распределяется ток по сечению S. Его направление идет в сторону, куда движутся положительные заряды.

Значение вектора плотности тока по модулю равно:

j=dIdS’ (4), где dS’ является проекцией элементарной поверхности dS на плоскость, перпендикулярную вектору плотности тока, dI – элементом силы, которая идет через поверхности dS и dS’.

Представление плотности в металле возможно по формуле:

j→=-n0qeυ→ (5), где n0 обозначается концентрацией электронов проводимости, qe=1,6·10-19 Кл – зарядом электрона, υ→ – средней скоростью упорядоченного движения электронов. Если значение плотностей тока максимальное, то

υ→=10-4 мс.

Закон сохранения заряда

Рисунок 1

Основным физическим законом считается закон сохранения электрического заряда. При выборе произвольной замкнутой поверхности S, изображенной на рисунке 1, ограничивающей объем V количество выходящего электричества в единицу времени (1 секунду) из объема V можно определить по формуле ∮sjndS. Такое же количество электричества выражается через заряд -∂q∂t, тогда получаем:

∂q∂t=-∮SjndS (6), где jn считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности dS, при этом:

jn=jcos a (7), где a является углом между направлением нормали к dS и вектором плотности тока. Уравнение (6) показывает частое употребление производной для того, чтобы сделать акцент на неподвижности поверхности S.

Выражение (6) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона примет вид:

∮SjndS=0 (8).

Пример 1

Найти формулу для того, чтобы рассчитать конвекционный ток при его возникновении в длинном цилиндре с радиусом сечения R и наличием его равномерной скорости движения υ, который заряжен по поверхности равномерно. Значение напряженности поля у поверхности цилиндра равняется E. Направление скорости движения вдоль оси цилиндра.

Решение

Основой решения задачи берется определение силы тока в виде:

I=dqdt (1.1).

Из формулы (1.1) следует, что возможно нахождение элемента заряда, располагающегося на поверхности цилиндра.

Напряженность поля равномерно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению:

E=σε0 (1.2), где σ является поверхностной плотностью заряда, ε0=8,85·10-12 КлН·м2. Выразим σ из (1.2), тогда:

σ=E·ε0 (1.3).

Связь поверхностной плотности заряда с элементарным зарядом выражается при помощи формулы:

dqdS=σ (1.4).

Используя (1.3), (1.4), имеем:

dq=E·e0dS (1.5).

Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры:

dS=2π ·Rdh (1.6), где dh является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра примет вид:

dq=E·ε0·2h·Rdh (1.7).

Произведем подстановку из (1.7) в (1.1):

I=d(E·ε0·2π·Rdh)dt=2πRε0Edhdt (1.8).

Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:

dhdt=υ (1.9).

Получим:

I=2πRε0Eυ.

Ответ: конвективный ток I=2πRε0Eυ.

Пример 2

Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I=1+3t. Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t, изменяющегося от t1=3 с до t2=7 c. Каким должен быть постоянный электрический ток, чтобы за аналогичное время происходило то же значение заряда?

Решение

Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:

I=dqdt (2.1).

Формула (2.1) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t1 до t2 возможно таким образом:

q=∫t1t2Idt (2.2).

Произведем подстановку имеющегося по условию закона в (2.2) для получения:

q=∫t1t2(1+3t)dt=∫t1t2dt+∫t1t23tdt=t2-t1+3·t22t1t2=(t2-t1)+32t22-t12 (2.3).

Вычислим заряд:

q=7-3+32(72-32)=4+32·40=64 (Кл).

Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:

Iconst=qt (2.3), где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q.

Тогда время протекания заряда равняется:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *