Электрический ток и его основные характеристики

 

Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 1.7.а). Если внести электрический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток.

 

Рисунок 1.7. Схема возникновения электрического тока в металлических проводниках:

а) беспорядочное движение электронов; б) упорядоченное движение электронов

 

Поэтому электрическим током I в металлических проводниках называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц (электронов) (рис. 1.7.б). Электрическое поле распространяется со скоростью 300000 км в секунду, с такой же скоростью проходит электрический ток, хотя электроны движутся со скорость несколько мм или см в секунду.

Единица измерения силы тока – ампер (A). 1 А - это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 Вольт электричества с сопротивлением 1 Ом.

 

Виды применяемых токов

1. Постоянный ток – ток, не меняющий своё значение и направление с течением времени.

2. Переменный ток – ток, значение и (или) направление которого изменяется с течением времени.

3. Пульсирующий ток – это ток, неизменяемый по направлению, но меняющийся по величине.

4. Импульсный ток– ток кратковременный, протекающий за определённое количество времени.

 

Электрическое сопротивление. При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются с ионами и атомами вещества, из которого сделан проводник. При этом проводник греется, а движению свободных электронов, т.е. току, оказывается сопротивление.

Электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают это сопротивление движению, т.е. проводники обладают электрическим сопротивлением.

Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением (R, Ом).

Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В.

Если сопротивление мало, проводник слабо нагревается током. Если сопротивление велико, проводник может раскалиться. …….

Например:

Провода, проводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, т.к. их сопротивление мало. Спираль плитки, обладающая большим сопротивлением, раскаляется докрасна. Ещё сильнее накаляется нить электрической лампы.

 

Сопротивление проводника зависит:

1. От материала проводника. Характеризуется удельным сопротивлением ρ (ро). Удельное сопротивление - это сопротивление проводника длиной 1 метр, площадью сечения 1 мм² при t =20ºс. Указывается в справочниках, измеряется Ом·м²/м.

2. От длины проводника L, [м] – прямо пропорционально.

 

Материал	Удельное сопротивление	Материал	Удельное сопротивление	Материал	Удельное сопротивление
Серебро Медь Алюминий Вольфрам	0,016 0,017 0,028 0,055	Железо Ртуть Никелин Манганин	0,098 0,958 0,43 0,44	Константан Нихром Фехраль Хромель	0,44-0,52 1,00-1,10 1,10-1,30 1,30-1,50

 

3. От площади сечения S, [мм²] - обратно пропорционально R = ρ L/ S

4. От температуры t, [ºC] – обычно, чем выше температура проводника, тем больше его сопротивление, за исключением некоторых сплавов, графита и пр.

Электропроводность веществ. Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью G. Электропроводность – величина обратная сопротивлению. Единица измерения – сименс (См). G= (См).

Чем больше свободных электронов, тем больше электропроводность данного вещества.

Для суждения об электропроводности материала пользуются понятием удельная электрическая проводимость σ. Удельная проводимость (σ) – проводимость куба с ребром 1 м. Измеряется в См/м.

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

1. Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока.

· Это металлы – ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость);

· электролиты (растворы кислот, щелочей и солей) – прохождение тока в них связано с движением электрически заряженных частей молекул – положительных и отрицательных ионов (ионная проводимость).

Проводники делятся на две основные группы: материалы высокой проводимости и высокого сопротивления.

Материалы высокой проводимости применяются для выполнения обмоток, соединительных проводов, электрических линий и в случаях, где требуется малое сопротивление. Самым низким удельным сопротивлением при 20°C обладает серебро ρ =1,6·10⁻⁸ Ом·м, его применяют для изготовления контактов реле и аппаратов.

Наиболее широко применяется медь, которая обладает рядом ценных свойств: высокой электропроводностью, стойкостью к окислению, достаточно высокой механической прочностью. Кроме того, медь хорошо обрабатывается и паяется. Удельное электрическое сопротивление меди ρ =1,8·10⁻⁸ Ом·м. В качестве конструкционных материалов в электрических аппаратах применяют сплавы меди с оловом и другими металлами - бронзу, а также сплав меди с цинком - латунь.

Второй по важности проводниковый материал - алюминий, который в ряде случаев с успехом заменяет медь. Удельное электрическое сопротивление алюминия ρ =2,65·10⁻⁸ Ом·м. На воздухе алюминий покрывается тонкой пленкой окиси, которая препятствует дальнейшему окислению. Но эта пленка мешает пайке алюминия, поэтому для соединения алюминиевых проводов их сваривают или паяют особыми припоями.

Сплавы высокого сопротивления применяют для изготовления деталей электроизмерительных и электронагревательных приборов, резисторов, реостатов и др. Наиболее распространены константан имеющий удельное электрическое сопротивление ρ =43,5·10⁻⁸ Ом·м и температуру плавления 1260°C, манганин ρ =48·10⁻⁸ Ом·м с температурой плавления 960°C, нихром ρ =11,2·10⁻⁷ Ом·м с температурой плавления 1390°C.

Электропроводность всех материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решётке металла увеличивается, отчего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебание атомов уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.

Но у таких сплавов, как фехраль, нихром, константан, менганин и др. в определённом интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Эти сплавы применяют для изготовления резисторов, используемых в электроизмерительных приборах и некоторых аппаратах для компенсации влияния температуры на их работу.

Чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость и, следовательно, он лучше проводит ток.

2. Полупроводники – это вещества, проводящие ток при определенных условиях. Изменение освещения, температуры, внесение примесей могут привести к возникновению свободных зарядов. Наиболее широко используют германий и кремний.

3. Диэлектрики (изоляторы) можно разделить по состоянию при обычной температуре на газообразные, жидкие и твердые; по происхождению - на органические, неорганические, естественные и искусственные; по области применения - для напряжений до 1000 В и выше, для низкой и высокой частоты.

При сильном увеличении напряжения, приложенного к изоляционному материалу, происходит его пробой. При этом материал утрачивает электроизоляционные свойства, что может привести к возникновению короткого замыкания между токоведущими частями электроустановки. Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называется пробивным.

Газообразные диэлектрики: воздух, который используют в электрических приборах, аппаратах и электроустановках. Жидкие изоляторы: трансформаторное, кабельное и конденсаторное масла, которые применяют для заполнения соответствующих электротехнических конструкций: трансформаторов, кабелей, конденсаторов. Твердые диэлектрики: слюда, мрамор, шифер, стекло, фарфор. Слоистые - гетинакс, текстолит, асбоцемент. Волокнистые - дерево, бумага, фибра, стекловолокно. Твердеющие - шеллак, бакелит, смолы, а также лаки и высыхающие масла. Для изоляции проводов используют каучук, а для изготовления ряда электроизоляционных изделий - его производное эбонит.

 

Контрольные вопросы

 

1. Дайте определение электрического тока.

2. В каких единицах измеряется сила тока?

3. Какие виды токов Вы знаете?

4. Дайте определение пульсирующего тока.

5. Какой ток называется импульсным?

6. Что принимают за единицу электрического заряда?

7. Дайте определение удельной проводимости.

8. Что такое сопротивление электрического тока?

9. Какие носители электричества создают в веществе, помещенном в электрическое поле, процесс движения?

10. Какой ток называется переменным?

11. Как условно делятся вещества в зависимости от электропроводности?

12. Как называется сопротивление куба с ребром 1м?

13. Как температура проводника влияет на его электропроводность?

14. Назовите единицы измерения электропроводности?

15. От чего зависит электропроводность вещества?

16. Дайте определение, что такое проводник.

17. Дайте определение, что такое диэлектрик.

18. Дайте определение, что такое полупроводник.

19. Дайте определение постоянного тока.

20. Назовите единицы измерения сопротивления.

21. Дайте определение удельной проводимости.

22. Дайте определение удельного сопротивления.

23. Назовите факторы, влияющие на сопротивление линейного проводника.

 

Электрическая цепь.