основи електротехніки
Всім доброго часу доби! По суті все вчення про електрику засноване на взаємодії зарядів, тобто, по суті, на законі Кулона, розглянутому в попередній статті. Однак він в основному застосовується до статичних зарядів, нас же цікавить більше переміщення, накопичення і зберігання електричних зарядів, завдяки чому в даній статті я розгляну переміщення зарядів по провідниках.
Що таке електричний струм?
Всі електричні явища, перш за все, пов'язані з переміщенням або накопиченням електричних зарядів. Якщо створити в провіднику електричне поле, то, як відомо з попередньої статті, електрони почнуть впорядковано рухатися у напрямку напруженості поля, тобто негативно заряджені електрони будуть рухатися в позитивному напрямку. Таке впорядкований рух заряджених частинок називається електричним струмом. Щоб кількісно охарактеризувати електричний струм ввели поняття сили електричного струму або просто сили струму, яка дорівнює величині заряду Q, який переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу t. Сила струму має розрядність Ампер (А) і позначається буквою I або i.
Напрямок сили струму вважається протилежним напрямку руху заряджених частинок (електронів), тобто від позитивно зарядженого до негативно зарядженого тіла.
Рух електронів в провіднику і умовний напрямок струму в ньому.
Що таке ЕРС і напругу?
З силою струму все зрозуміло. Тепер запитаємо себе, а чому електрони починають рухатися в одному напрямку і виникає електричний струм? Відповідь на це питання очевидна: електрони рухаються від місця, де їх надлишок туди, де є недолік електронів. Якщо не прийнятий ніяких заходів для підтримки в негативно зарядженому тілі надлишку електронів, то струм дуже швидко припиниться.
Для підтримки електричного струму необхідно вилучати електрони з позитивно зарядженого місця і передавати їх в негативно заряджене місце, тобто здійснювати круговорот електронів, щоб вони рухалися як би по замкнутому колу. Для здійснення такого кругообігу електронів і підтримки струму необхідно вплив сторонніх сил діючих на провідник.
Сторонні сили мають різну природу: хімічну, теплову, механічну, електромагнітну, але не залежно від того яким чином виникає така стороння сила вона характеризується електрорушійної силою (ЕРС, яка позначається Е і вимірюється в вольтах В). Величина ЕРС Е дорівнює роботі А (вимірюється в джоулях Дж), яку виконують сторонні сили по переміщенню електричного заряду Q і може бути обчислена за наступним виразом
Таким чином, ЕРС показує, яку роботу необхідно виконати для переміщення заряду.
Крім сторонніх сил на заряджені частинки діють сили електростатичного поля (кулонівських сили), які також здійснюють деяку роботу. Для кількісної характеристики сумарної роботи електростатичних і сторонніх сил при переміщенні електричного заряду ввели поняття падіння напруги або просто напруга (позначається U), яке обчислюється за наступним виразом
Але сторонні сили не завжди діють на електричний заряд, найчастіше роботу над зарядом здійснюють тільки сили електростатичного взаємодії, тому величина напруги збігається з величиною різниці потенціалів електростатичного поля
Що таке опір провідника?
Вище я пояснив, що таке електричний струм і напруга, які є найважливішими поняттями електротехніки та електроніки. Незабаром ви дізнаєтеся, як вони пов'язані між собою, а поки розкрити ще одне основне поняття - опір.
Коли електрони, що несуть електричний заряд, переміщаються по провіднику, вони відчувають протидію, яке називається опором провідника. Позначається R і має розмірність Ом.
Очевидно, що опір провідника залежить від його геометричних розмірів, а також від властивостей самого матеріалу. Таким чином, опір виразиться таким виразом
де l - довжина провідника, м;
S - площа поперечного перерізу провідника, мм 2
ρ - питомий електричний опір провідника при певній температурі, Ом * мм 2 / м.
Величина питомої електричного опору ρ, для різних матеріалів має різне значення, крім того для різних температур воно також по-різному і має наступну залежність
де ρ0 - питомий електричний опір при 0 0 С,
α - коефіцієнт, чисельно рівний приблизно 1/273.
З величиною питомої електричного опору пов'язано явище надпровідності, яке проявляється у деяких металів і сплавів при температурі близькій до абсолютного нуля, приблизно рівній -273 0 С. При явищі надпровідності опір стрибком звертається в нуль.
Закон Ома - основний закон постійного струму
Як відомо, електричний струм - це впорядкований рух заряджених частинок в електричному полі, яке кількісно характеризується напругою. Таким чином, повинна існувати деяка залежність між силою струму і напругою.
Таку залежність, в результаті численних дослідів, встановив німецький фізик Георг Симон Ом і визначається вона наступним виразом
Цей вираз називається законом Ом для ділянки ланцюга або просто законом Ома і говорить наступне:
«Сила струму на ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна опору цієї ділянки».
Закон Ома для ділянки кола.
Таким чином, одиниця опору Ом виражається із закону Ома і є похідною від двох основних величин - вольт (В) і ампер (А)
У наступній статті буде показано, що при використанні закону Ома для всього ланцюга необхідно враховувати також параметри джерела напруги.
Робота і потужність електричного струму
З попередньої статті відомо, що при відсутності ЕРС робота А електричного струму визначається, як добуток різниці потенціалів φ1 - φ2 на величину заряду q над яким відбувається робота, тоді
Для того щоб виключити заряд з даного вираження представимо його через величину сили струму
У практиці знання про те, що електричний струм виконав будь-яку роботу мало, що дасть, більш прийнятним варіантом є знання, про те яка потужність буде виділена за одиницю часу. Як відомо потужність Р визначається виконаною роботою за одиницю часу, тобто
Таким чином, з цього виразу можна обчислити яка потужність буде виділятися на резисторі і відповідно підібрати потрібний по потужності
Закон Джоуля - Ленца
Ще один закон пов'язаний з роботою електричного струму, і відповідає він на питання «Яка саме робота виконується струмом?». Як відомо якщо провідник, по якому тече струм, не рухається, а струм постійний, то робота повністю витрачається на нагрівання провідника. Отже, кількість теплоти, що виділяється провідником, дорівнює роботі електричного струму. Дане відповідність називається законом Джоуля-Ленца і виражається він у такий виразом
Кількість теплоти, що виділяється провідником зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу.
Теорія це добре, але теорія без практики - це просто струс повітря. Перейшовши за посиланням все це можна зробити своїми руками