Природа электричества

В природе все вещества состоят из молекул. Молекула, в свою очередь, состоит из атомов, атом – из ядра, состоящего из не имеющих заряда нейтронов и положительных протонов, вокруг которого вращаются электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный:

Атом в целом электрически нейтрален, но при воздействии на него (например, при нагревании) он приобретает дополнительную энергию, в результате чего разрывается связь между ядром и наиболее удалённым электроном. Этот электрон уходит со своей орбиты, и весь атом становится положительно заряженным ионом. Оторвавшийся электрон либо начинает хаотическое движение (т.н. свободный электрон), либо присоединяется к другому атому, превращая его в отрицательно заряженный ион.

Если к концам проводника подсоединить источник ЭДС (например, батарею), то движение свободных электронов в проводнике станет упорядоченным, т.е., по проводнику потечёт электрический ток. Упорядоченное движение электронов называется электрически током. Количество свободных электронов характеризует способность материала проводить электрический ток. Количество электронов, равное 6,23 10¹⁹ принято считать, как 1 Кулон (Кл). При силе тока 1А за 1с в проводнике проходит количество электричества, равное 1Кл.

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

- Проводники делятся на 2 класса:

1 класс - металлы и сплавы

2 класс - водные растворы кислот, солей и щелочей.

- Полупроводники пропускают ток только в одном направлении.

- Диэлектрики не имеют свободных электронов, поэтому не проводят электрический ток.

- Электрический потенциал(читается «фи»).

Если в электрическом поле положительного заряда находится другой положительный заряд, то эти заряды стремятся оттолкнуться друг от друга. При этом совершается определённая работа (W) за счёт совместного действия полей обоих зарядов. Отношение этой энергии к величине заряда (q) называется электрическим потенциалом:

φ = W/q, то есть 1В=

Т.к. энергия совместного поля зарядов W при отдалении двух зарядов ослабевает, то и электрический потенциал в разных точках проводника будет разным.

- Электрическое напряжение.

Электрическим напряжением называется разность потенциалов между двумя точками проводника. Измеряется в вольтах (В), обозначается U:

U = φ1 – φ2 = E

-ЭДС.

Если два разноимённо заряженных тела соединить проводником, то свободные электроны начнут направленное движение, т.е., по проводнику потечёт электрический ток. Он будет протекать до тех пор, пока напряжение (разность потенциалов) на концах проводника не станет равным нулю. Для непрерывности процесса необходимо постоянно поддерживать разность потенциалов, т.е., к концам проводника необходимо присоединить источник электрической энергии – источник ЭДС (электродвижущей силы), например, генератор или АКБ. Источник электрической энергии, соединённый с потребителем при помощи проводов (проводников) образует замкнутую электрическую цепь. При этом в электротехнике принято считать, что ток движется от «+» к «-». Единица измерения - Вольт (В).

- Сила тока.

Силой тока ( I ) называется количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за 1сек.

I = , где q - количество электричества (Кл), t - время (с).

Сила тока измеряется в Амперах (А).

- Сопротивление.

При движении свободных электронов в проводнике, они на своём пути сталкиваются с атомами, отдавая при этом часть своей энергии. Эта энергия переходит в тепловую и нагревает проводник. Каждый материал имеет свои свойства проводимости. Чем хуже проводимость (т.е., больше сопротивление движению электронов), тем больше нагрев проводника. Медь и алюминий имеют низкое сопротивление, а нихром и фехраль – высокое. Поэтому в электрических цепях подвижного состава метрополитена используют медные провода, а для ограничения силы тока применяют сопротивления из фехраля. Обозначение - R, единица измерения - Ом.

- Типы электрических соединений.

Существуют 3 основных типа электрических соединений:

1. Последовательное соединение. При этом все аппараты и приборы соединяются в единую непрерывную цепь, как лампы в ёлочной гирлянде. Если в такой гирлянде (с последовательным соединением) перегорит хотя бы одна лампа, то погаснет вся гирлянда. В последовательной цепи сила тока одинакова на всех участках, общее сопротивление всей цепи будет равно сумме всех сопротивлений: R_общ=R₁+R₂+R₃, а общее напряжение будет равно сумме напряжений на каждом участке цепи: U_общ=U1+U₂+U₃ Для расчёта последовательной цепи применяют Закон Ома для неразветвлённой цепи:

I = , где U - напряжение, R - сопротивление или R =