Электрический ток и электропроводность вещества
При некоторых условиях для нейтрального атома (повышение температуры), этот атом теряет электрон, превращаясь в положительный ион. Оторвавшийся электрон может присоединиться к соседнему атому, образуя отрицательный ион.
Если такое вещество поместить в электрическое поле, то под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, получивший название электрического тока.
Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью.
Электропроводность вещества зависит от количества свободных, не связанных с атомами, электрически заряженных частиц. Чем выше их концентрация, тем электропроводность больше.
Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводники обладают высокой электропроводностью. Делятся на два класса:
К 1 классу относятся металлы и их сплавы.
В металлах электроны, расположенные на внешних орбитах, слабо связаны с ядрами атомов, часть электронов перемещается между атомами, заполняя пространство между ними и находятся в беспорядочном движении (см.рис.1,4). Однако если металлический проводник внести в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного заряда (см.рис.1,4), создавая электрический ток.
Рис. 1.4. Свободное и упорядоченное движение электронов
Диэлектрические вещества имеют на внешней орбите большое количество электронов, но они жестко связаны со своими ядрами.
Поэтому диэлектрики не являются проводниками тока.
К проводникам 2 класса относятся водные растворы кислот, солей и щелочей.
Электрическая цепь. Э.Д.С.
Рис. 1.5. Электрическая цепь
Если два разноименно заряженных тела соединить проводником, то свободные электроны проводника и этих тел придут в движение и возникнет электрический ток.
Ток по проводнику будет протекать до тех пор, пока напряжение между ними не станет равным нулю.
Для обеспечения непрерывного движения электронов по проводнику необходимо постоянно поддерживать заряды этих тел, то есть обеспечивать разность потенциалов на концах проводника. Для этого применяются источники электрической энергии.
Причину, вызывающую упорядоченное движение электрических зарядов по цепи, называют Э.Д.С. Э.Д.С. обозначается буквой "Е" и измеряется в вольтах.
К источникам Э.Д.С. относятся генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы.
Источник электрической энергии, потребитель и провода образуют замкнутую электрическую цепь.
За направление тока принято направление от "+" к "-".
Сила тока (I)
Силой тока служит величина тока, измеряемая количеством электричества, которое проходит через поперечное сечение проводника за 1 сек.
I = Q / t, A
Q - заряд, Кл
t - время, сек
Ток измеряется в амперах (А). Направление тока указывается стрелкой.
Более мелкие единицы измерения тока
1 миллиампер - 10-3 А
1 микроампер - 10-6 А
Более крупная единица измерения тока
1 килоампер = 103 А
Сопротивление (R)
При движении свободных электронов в проводнике, под действием сил электрического поля, они сталкиваются на своем пути с атомами вещества и отдают им часть своей энергии.
Эта энергия, в результате столкновений, рассеивается в виде тепла и нагревает проводник.
Электроны , сталкиваясь с частицами вещества, преодолевают сопротивление движению, то есть проводники обладают электрическим сопротивлением.
Если сопротивление проводника велико, то проводник может раскалиться (утюг) и наоборот.
Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в омах (Ом).
Более крупная единица измерения
1 килоом = 103 Ом
1 мегаом = 106 Ом
Всякий проводник обладает проводимостью, то есть способностью проводить электрический ток.
Проводимость есть величина обратная сопротивлению.
G = 1/R, (Сименс).
О способности отдельных веществ проводить электрический ток судят по его удельному сопротивлению ρ (ро)
ρ = Ом, мм2/м
Сопротивление проводника определяется по формуле
R = ρ · ℓ / S, Ом
ℓ - длина проводника , м
S - сечение проводника, мм2
Провода из металлов (меди, алюминия) с наименьшим сопротивлением широко применяются для соединения потребителей электрической энергии с генераторами.
Для изготовления обмоток нагревательных элементов и реостатов применяют сплавы с большим удельным сопротивлением (нихром, фехраль).
На подвижном составе применяются сопротивления с целью регулирования, уменьшения или ограничения тока цепи.
Емкость (С)
Электрические заряды в цепи могут не только перемещаться по её элементам, но также накапливаться в них, создавая запас энергии
Wэ = C · U2 / 2
где U - напряжение на элементе электрической цепи, В
С - емкость, Ф
Электрической ёмкостью (или просто ёмкостью) C называется коэффициент, определяющий запас накопленной энергии. Таким образом, ёмкость - характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд.
Величина ёмкости участка электрической цепи зависит от электрических свойств окружающей среды, а также от формы и геометрических размеров проводников, в которых накапливаются заряды.
Исторически первые накопители представляли собой плоские проводники, разделённые тонкой прослойкой изоляционного материала.
Совокупность проводников, предназначенных для накопления энергии электрического поля, называется конденсатором. Чем больше площадь проводников и чем меньше толщина изолирующей прослойки, тем больше, при прочих равных условиях, величина их ёмкости.
Ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда на конденсаторе к величине напряжения на нем
С = Q / U
и измеряется в фарадах (Ф).
Электрические цепи