Все об электричестве

Все об электричестве

Время на чтение:

Когда произносят слово «электричество», один человек представит себе обычную бытовую розетку из дома, а другой – высоковольтную линию электропередач. Более продвинутые вспомнят молнию, батарейки и даже сварочный аппарат. Все эти явления и приборы так или иначе связаны с электричеством, основными характеристиками которого, в соответствии с законом Ома, являются сила тока, напряжение и сопротивление. Ток, в свою очередь, бывает постоянным и переменным. В обозначении двух этих видов на схемах возникает еще больше путаницы, чем при поиске ассоциаций со словом «электричество». В этой статье будет рассказано о том, как обозначается постоянный ток, маркируется переменное напряжения и силы постоянного характера, используемые для обозначения на схемах и чертежах.

Что такое электричество

Появление электричества – это определенная совокупность явлений, которые обусловлены существованием электрических зарядов со знаком «+» и «-», их взаимодействием между собой и возможностью движения. За счет того, что совокупность зарядов может перемещаться по проводнику, обладать притягивающими и отталкивающими свойствами, было открыто явление магнетизма и электричества. Одним из первых это описал Фалес, а позже в 1600 году английский физик Уильям Гилберт. С течением времени знания об этом явлении только увеличивались и прогрессировали.

Виды тока и их графики относительно времени

С точки зрения физики, электричество – это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц по материалу проводникового типа под действием электрического поля. В качестве частиц выступают ионы, протоны, нейтроны и электроны.

Направленное движение частиц

Какое отличие между переменным и постоянным током

Ток – это движение заряженных электронов в определенном направлении. Это перемещение необходимо для того, чтобы бытовые и профессиональные электроприборы могли работать с установленной номинальной мощностью. В домашней розетке ток появляется из электростанции, где кинетическая энергия электронов преобразуется в электрическую.

Электроток постоянного характера – электричество, получаемое из аккумулятора телефона или батарейки. Он называется так, потому что направление движения электронов в нем не меняется. На таком принципе основана работа зарядных устройств: они конвертируют переменное электричество сети в постоянное и в таком виде оно накапливается в аккумуляторных батареях.

Переменный ток – электричество в любой домашней электросети. Он называется так из-за того, что направление движения электронов постоянно меняется. Количество изменений направления задается частотой, которая для домашних сетей в СНГ равно 50 Гц. Это значит, что за одну секунду электроток меняет направление движения целых 50 раз. Напряжение же в сети – это максимальный «напор», который заставляет двигаться электроны.

Обозначение постоянного и переменного тока

Как обозначается постоянное и переменное напряжение

Постоянное напряжение или ток обозначаются аббревиатурой DC, что означает Direct current. На схемах и электроприборах принято также указывать постоянное напряжение простой ровной линией (—).

Значок переменного напряжения записывается в виде несколько иной аббревиатуры ( – AC. Если расшифровать, то получится «Alternating current». На клеммах электроприборов и распределительных щитков, а также на схемах она может изображаться как волнистая линия (

Важно! Если в сеть рассчитана для пропуска и того, и другого видов электроэнергии, она маркируется как «AC/DC» и обозначается на схеме двойной линией (верхняя линия прямая и сплошная, а нижняя прямая и пунктирная).

Какой значок напряжения

Напряжение означает поток электрических заряженных частиц по проводнику определенного сечения и обычно обозначается как «U». Если напряжение в сети постоянное, то около латинской буквы ставится символ прямой линии или двух линий (верхняя сплошная прямая, а нижняя пунктирная). Для мультиметров и прочих приборов, связанных с измерением напряжения, используют латинскую букву «V», которая обозначает единицу измерения напряжения – Вольт (Volt). Значение линий при этом сохраняется.

Важно! Многие обыватели полагают, что напряжение обозначается как «E», но это не так. «Е» — это электродинамическая сила (ЭДС) источника питания проводника.

Таким образом, маркировка проводов, клемм электроприборов и схем имеет совершенно четкий и понятный характер. Она указывает на силу тока и напряжение, с которыми работает та или иная сеть или прибор. Каждый взрослый человек может научиться читать электротехнические схемы буквально за несколько дней, так как для этого достаточно лишь изучить основные маркировки, а также обозначения постоянного и переменного напряжения.

Обозначения постоянного и переменного тока: AC и DC ток

Электрическая энергия сопровождает нас на каждом шагу. Без нее немыслима жизнь любого человека. На протяжении жизни мы в той или иной мере сталкиваемся с проявлениями электричества. Более плотно это происходит, как правило, при поломке электрических приборов. И для того, чтобы разобраться в их устройстве и схемах, полезно знать, что переменный и постоянный ток обозначается как AC и DC ток.

  • Источники электрической энергии
  • Обозначения на схемах и в приборах
  • Области применения DC напряжения
Читайте также:  Как выбрать сечение кабеля

Источники электрической энергии

Изначально источниками электричества были только лишь химические гальванические элементы одноразового действия. В дальнейшем появились многоразовые аккумуляторы. Примечательно, что полярность химических источников не в состоянии меняться сама по себе. С целью получения постоянного напряжения в промышленных масштабах применяются генераторы, а иногда и солнечные батареи.

Электронная техника, в свою очередь, питается от сети переменного напряжения, а для получения постоянного используются блоки питания. До требуемых показателей переменный ток понижают с помощью трансформаторов и впоследствии выпрямляют. При этом частоту пульсаций снижают сглаживающие фильтры, стабилизаторы и регуляторы напряжения.

В современном мире распространены импульсные блоки питания. В них частота пульсаций выходного электричества сглаживается интегрирующими элементами. Они концентрируют электрическую энергию и отдают ее в нагрузку. В итоге получается требуемое постоянное напряжение.

Электрическую энергию способны конденсировать также и электролитические конденсаторы. При разряде такого конденсатора во внешней цепи возникает переменный ток. Если же он разряжается через резистор, в этом случае возникает постепенно уменьшающийся (однонаправленный) переменный ток. При использовании индукционной катушки в цепи образуется двунаправленный переменный ток. Электролитические конденсаторы могут обладать огромной емкостью, достигающей сотен микрофарад. При разряде таких конденсаторов через большое сопротивление электричество уменьшается медленнее и во внешней цепи протекает уже постоянное напряжение.

Существуют также и комбинации конденсаторов и химических источников — ионисторы. Они обладают способностью накапливать и отдавать значительное количество электричества. Характерный пример — электромобили.

Обозначения на схемах и в приборах

Общепринято, что направление электричества идет от контакта со знаком плюс к контакту со знаком минус.

Места с большими потенциалами имеют название «положительный полюс» и обозначаются значком + (плюс). Точки с меньшими потенциалами, соответственно, именуются «отрицательный полюс» и их обозначают знаком — (минус).

Изначально принято, что электроизоляция положительных проводов имеет красный цвет, провода же со знаком «минус» окрашивают в синий или черный цвета.

Условные обозначения на электроприборах: — или =. Однонаправленное электричество (в том числе постоянное) обозначается латиницей DC, или же используется символ Юникода — U+2393.

Аббревиатура AC и DC прочно укоренилась в повседневном обиходе и употребляется наравне с привычными названиями «переменный» и «постоянный»:

  • обозначение постоянного напряжения (—) или DC (Direct Current);
  • знак переменного тока (

) или AC (Alternating Current) — обозначение переменного тока.

Области применения DC напряжения

Использование постоянного напряжения позволяет увеличивать передаваемую электрическую энергию и затем передавать ее между энергетическими системами, которые используют переменный ток разных частот (к примеру, 50 и 60 герц).

Активно применяется постоянный ток и на транспорте. Электродвигатели с постоянным возбуждением используются в различных механизмах:

  • электровозах;
  • электропоездах;
  • трамваях;
  • троллейбусах;
  • подъемниках и т. д.

Не обошлось без постоянного напряжения и в других областях науки и техники. Широко применяется он таким образом:

  • Практически во всех электронных схемах в качестве питания.
  • Гальванические элементы и аккумуляторы заряжают электронные устройства: фонари, игрушки, аккумуляторы в инструментах и прочие.
  • В промышленных электролитических установках получают, к примеру, алюминий, магний, калий, хлор из растворов и расплавов солей.
  • В гальванизации и гальванопластике.
  • При электрической дуговой и электрической газовой сварке.
  • В бортовых сетях автомобилей.
  • На некоторых видах судов — ледоколы, подводные лодки, дизель-электроходы.
  • В медицине. К примеру, электрофорез — введение лекарств в организм с помощью электричества.

Электричество сопровождает нас везде: на работе и в быту. Страшно даже на минуточку вообразить, что же произойдет с человечеством, если оно в одночасье лишится электрической энергии.

Постоянный электрический ток: определение, механизм, характеристики

Содержание:

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.

Необходимые условия существования электрического тока

Первое необходимое условие существования электрического тока любого вещества – наличие носителей заряда.

Для равновесного состояния зарядов необходимо равнение нулю разности потенциалов между любыми точками проводника. При нарушении данного условия, заряд не сможет переместиться. Отсюда следует, что второе необходимое условие существования электрического тока в проводнике – создание напряжения между некоторыми точками.

Упорядоченное движение свободных зарядов, возникающее в проводнике как результат воздействия электрического поля, называют током проводимости.

Такое движение возможно при перемещении в пространстве заряженного проводника или диэлектрика. Подобный электрический ток получил название конвекционного.

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 A s t . Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется как:

ε = A q ( 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.

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

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

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

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 = d I d S ‘ ( 4 ) , где d S ‘ является проекцией элементарной поверхности d S на плоскость, перпендикулярную вектору плотности тока, d I – элементом силы, которая идет через поверхности d S и d S ‘ .

Представление плотности в металле возможно по формуле:

j → = – n 0 q e ” open=” υ → ( 5 ) , где n 0 обозначается концентрацией электронов проводимости, q e = 1 , 6 · 10 – 19 К л – зарядом электрона, ” open=” υ → – средней скоростью упорядоченного движения электронов. Если значение плотностей тока максимальное, то

” open=” υ → = 10 – 4 м с .

Закон сохранения заряда

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 ∮ s j n d S . Такое же количество электричества выражается через заряд – ∂ q ∂ t , тогда получаем:

∂ q ∂ t = – ∮ S j n d S ( 6 ) , где j n считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности d S , при этом:

j n = j cos a ( 7 ) , где a является углом между направлением нормали к d S 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:

∮ S j n d S = 0 ( 8 ) .

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 = d q d t ( 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 = σ ε 0 ( 1 . 2 ) , где σ является поверхностной плотностью заряда, ε 0 = 8 , 85 · 10 – 12 К л Н · м 2 . Выразим σ из ( 1 . 2 ) , тогда:

σ = E · ε 0 ( 1 . 3 ) .

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

d q d S = σ ( 1 . 4 ) .

Используя ( 1 . 3 ) , ( 1 . 4 ) , имеем:

d q = E · e 0 d S ( 1 . 5 ) .

Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры:

d S = 2 π · R d h ( 1 . 6 ) , где d h является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра примет вид:

d q = E · ε 0 · 2 h · R d h ( 1 . 7 ) .

Произведем подстановку из ( 1 . 7 ) в ( 1 . 1 ) :

I = d ( E · ε 0 · 2 π · Rdh ) d t = 2 πRε 0 E dh dt ( 1 . 8 ) .

Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:

d h d t = υ ( 1 . 9 ) .

I = 2 π R ε 0 E υ .

Ответ: конвективный ток I = 2 π R ε 0 E υ .

Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I = 1 + 3 t . Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t , изменяющегося от t 1 = 3 с до t 2 = 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 = d q d t ( 2 . 1 ) .

Формула ( 2 . 1 ) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t 1 до t 2 возможно таким образом:

q = ∫ t 1 t 2 I d t ( 2 . 2 ) .

Произведем подстановку имеющегося по условию закона в ( 2 . 2 ) для получения:

q = ∫ t 1 t 2 ( 1 + 3 t ) d t = ∫ t 1 t 2 d t + ∫ t 1 t 2 3 t d t = t 2 – t 1 + 3 · t 2 2 t 1 t 2 = ( t 2 – t 1 ) + 3 2 t 2 2 – t 1 2 ( 2 . 3 ) .

q = 7 – 3 + 3 2 ( 7 2 – 3 2 ) = 4 + 3 2 · 40 = 64 ( К л ) .

Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:

I c o n s t = q t ( 2 . 3 ) , где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q .

Тогда время протекания заряда равняется:

t = t 2 – t 1 ( 2 . 4 ) .

Выражение ( 2 . 3 ) примет вид:

I c o n s t = q t 2 – t 1 ( 2 . 5 ) .

Произведем подстановку и вычислим:

I c o n s t = 64 7 – 3 = 64 4 = 16 ( A ) .

Ответ: q = 64 К л . I c o n s t = 16 А . .

Постоянный электрический ток

Постоянный ток (DC – Direct Current) – электрический ток, не меняющий своей величины и направления с течением времени.

В реальности постоянный ток не может сохранять величину постоянной. Например, на выходе выпрямителей всегда присутствует переменная составляющая пульсаций. При использовании гальванических элементов, батареек или аккумуляторов, величина тока будет уменьшаться по мере расхода энергии, что актуально при больших нагрузках.

Постоянный ток существует условно в тех случаях, где можно пренебречь изменениями его постоянной величины.

Постоянная составляющая тока и напряжения. DC

Если рассмотреть форму тока в нагрузке на выходе выпрямителей или преобразователей, можно увидеть пульсации – изменения величины тока, существующие, как результат ограниченных возможностей фильтрующих элементов выпрямителя.
В некоторых случаях величина пульсаций может достигать достаточно больших значений, которые нельзя не учитывать в расчётах, например, в выпрямителях без применения конденсаторов.
Такой ток обычно называют пульсирующим или импульсным. В этих случаях следует рассматривать постоянную DC и переменную AC составляющие.

Постоянная составляющая DC – величина, равная среднему значению тока за период.

AVG – аббревиатура Avguste – Среднее.

Переменная составляющая AC – периодическое изменение величины тока, уменьшение и увеличение относительно среднего значения .

Следует учитывать при расчётах, что величина пульсирующего тока будет равна не среднему значению, а квадратному корню из суммы квадратов двух величин – постоянной составляющей (DC) и среднеквадратичного значения переменной составляющей (AC), которая присутствует в этом токе, обладает определённой мощностью и суммируется с мощностью постоянной составляющей.

Вышеописанные определения, а так же термины AC и DC могут быть использованы в равной степени как для тока, так и для напряжения .

Отличие постоянного тока от переменного

По ассоциативным предпочтениям в технической литературе импульсный ток часто называют постоянным, так как он имеет одно постоянное направление. В таком случае необходимо уточнять, что имеется в виду постоянный ток с переменной составляющей.
А иногда его называют переменным, по той причине, что периодически меняет величину. Переменный ток с постоянной составляющей.
Обычно берут за основу составляющую, которая больше по величине или которая наиболее значима в контексте.

Следует помнить, что постоянный ток или напряжение характеризует, кроме направления, главный критерий – постоянная его величина, которая служит основой физических законов и является определяющей в расчётных формулах электрических цепей.
Постоянная составляющая DC, как среднее значение, является лишь одним из параметров переменного тока.

Для переменного тока (напряжения) в большинстве случаев бывает важен критерий – отсутствие постоянной составляющей, когда среднее значение равно нулю.
Это ток, который протекает в конденсаторах, силовых трансформаторах, линиях электропередач. Это напряжение на обмотках трансформаторов и в бытовой электрической сети.
В таких случаях постоянная составляющая может существовать только в виде потерь, вызванных нелинейным характером нагрузок.

Параметры постоянного тока и напряжения

Сразу следует отметить, что устаревший термин “сила тока” в современной отечественной технической литературе используется уже нечасто и признан некорректным. Электрический ток характеризует не сила, а скорость и интенсивность перемещения заряженных частиц. А именно, количество заряда, прошедшее за единицу времени через поперечное сечение проводника.
Основным параметром для постоянного тока является величина тока.

Единица измерения тока – Ампер.
Величина тока 1 Ампер – перемещение заряда 1 Кулон за 1 секунду.

Единица измерения напряжения – Вольт.
Величина напряжения 1 Вольт – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, необходимая для совершения работы 1 Джоуль при прохождения заряда 1 Кулон.

Для выпрямителей и преобразователей часто бывает важными следующие параметры для постоянного напряжения или тока:

Размах пульсаций напряжения (тока) – величина, равная разности между максимальным и минимальным значениями.
Коэффициент пульсаций – величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей AC напряжения или тока к его постоянной составляющей DC.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!