Тема 8. «электродинамика. законы постоянного тока»

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Проводники

Проводимость в кристалле металла

Самыми лучшими проводниками являются металлы. Происходит это потому, что ядра атомов с электронами внутренних электронных оболочек (ионы) образуют плотную регулярную пространственную структуру – кристаллическую решетку, электроны внешних оболочек оказываются «общими» для соседних ионов и могут достаточно свободно перемещаться от одного иона к другому.

Рис. 1. Металлическая кристаллическая решетка.

Электроны движутся хаотически, но если возникает электрическое поле, то электроны начинают двигаться упорядочено, а поскольку тормозящих сил нет – легко возникает электрический ток.

Примерами хороших проводников являются такие металлы, как серебро, медь, алюминий.

Хотя скорость движения электронов по проводнику невысока (миллиметры в секунду), само электрическое поле распространяется с очень большой скоростью, сравнимой со скоростью света.

Проводимость растворов

Поскольку чистая дистиллированная вода практически не содержит свободных зарядов, она не может проводить электрический ток. Однако, если в воде растворено другое вещество, (например, обычная поваренная соль), то под действием молекул воды нейтральная молекула этого вещества распадается на заряженные части (ионы). И теперь при появлении электрического поля ионы придут в упорядоченное движение, возникнет электрический ток.

Рис. 2. Ионная проводимость растворов.

Поскольку ионы в растворе значительно тяжелее электронов в металле, растворы хуже проводят электричество, по сравнению с металлами.

Проводимость газов

Газы, как правило, состоят из отдельных, хаотично движущихся и достаточно далеко отстоящих друг от друга молекул. Поэтому они не проводят электрический ток. Однако, если внешними воздействиями создавать внутри газа заряженные частицы (ионы), то газ начинает проводить электрический ток. Такими воздействиями может быть нагревание, либо создание такого большого электрического поля, что его сил оказывается достаточно для разрушения внешних электронных оболочек. Газ при этом ионизируется, и возникает разряд – тлеющий или искровой.

Рис. 3. Тлеющий или искровой газовый разряд.

Что такое источник тока

Чтобы поддерживать ток в электрических цепях долгое время необходимо удерживать стабильное значение электрического поля. Именно в этом заключается роль источников электрического тока.

Во всех источниках происходит работа по разделению отрицательно и положительно заряженных частиц. Частицы с зарядами разных знаков скапливаются у полюсов источника тока (“плюса” и “минуса”), которые обозначены специальными клеммами. Между полюсами возникает разность потенциалов и электрическое поле, которое после подключения источника проводниками к электрической цепи, порождает электрический ток.

Первый вариант работающей батареи сконструировал итальянский ученый Алессандро Вольта в 1798 г. А в 1859 г. французский физик Гастон Планте свинцово-кислотные клетки — ключевой элемент аккумулятора для автомобиля. Кстати, автомобиль появился только через 26 лет.

Таким образом, внутри источника тока совершается работа по разделению электрических зарядов, без использования силового действия электрического поля. Силы, совершающие работу по сортировке (разделению) зарядов, по определению называются сторонними силами. Перечислим некоторые примеры сторонних сил:

Механические силы

Простейший пример — это электрофорная машина, диски которой приводятся во вращение рукой. Современные генераторы электрического тока преобразуют механическую энергию вращения вала от двигателей внутреннего сгорания или от паровых и гидротурбин;

Рис. 1. Электрофорная машина:.

Тепловое воздействие

Такие источники называют термоэлементами. Примером может служить так называемая термопара, то есть когда берутся две проволоки из разных металлов, делаются два спая, один из которых нагревают, а другой охлаждают. В результате появляется напряжение. Величина напряжения таких источников мала, но в они используются в качестве термодатчиков. Геотермальные станции, работающие в местах, где имеются природные источники горячей воды, также относятся к этому виду источников. ;

Фотоэффект

Энергия фотонов света переходит в электрическую энергию, когда твердое тело обладает свойствами полупроводника. К таким веществам относятся, например, кремний, германий, арсенид галлия. Солнечные батареи, которые были в первую очередь разработаны для космических кораблей, сейчас используются повсеместно;

Химические реакции

Набор определенных химических веществ может вступать в реакции, в результате которых внутренняя энергия переходит в электрическую. Такие источники тока называются гальваническими элементами в честь итальянского ученого Луиджи Гальвани. Батарейки для современных гаджетов, телевизионных пультов, все это — гальванические элементы. Батарейки используются один раз, так как после окончания химического процесса электроды теряют способность к накоплению зарядов;

Рис. 2. Гальванический элемент:.

Аккумуляторы

Данные источники тока выделены в отдельный класс, хотя механизм получения электрической энергии у них тоже основан на химических реакциях. В этих источниках электроды не расходуются. После подзарядки от электрической сети, источники снова возобновляют механизм химического воспроизводства электрической энергии.

Рис. 3. Примеры аккумуляторов:.

Электробезопасность

Основная статья: Электробезопасность

Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

• термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
• электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
• биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги);
• механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови).

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

• безопасным считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
• минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 0,6—1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5—7 мА постоянного тока;
• пороговым неотпускающим называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10—15 мА, для постоянного — 50—80 мА;
• фибрилляционным порогом называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

В России, в соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок, установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

Диэлектрики

Не пропускают электрический ток.Диэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением.Используются для защиты проводника от влаги, механических повреждений, пыли.

• твердые-все неметаллы;
• жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ
• газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.д.

Свойства диэлектриков:

1. Электрические свойства
   • Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины.
   • Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины.
2. Физико-химические свойства
   • Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств.
   • Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до — 120
   • Смачиваемость-способность материала отторгать влагу, испытания проводятся в климатических камерах, типа ELKA, где изделие подвергается увлажнению, создается ТУМАН и мгновенный перепад температуры-СУШКА, и так несколько циклов!
3. Химические
   • Должны противостоять активной(агрессивной) среде
   • Способность склеиваться
   • Растворение в лаках и растворителях, склеиваться
4. Механические
   • Защита металлических проводников от коррозии
   • Радиационная стойкость
   • Вязкость(для жидких диэлектриков)
   • Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие
   • Предел прочности, твердости
   • Обработка инструментом

Что называют электрическим током?

Определение тока сводится к явлению упорядоченного движения частиц, несущих на себе определённый заряд. Электричество – это организованное перемещение заряженных частиц, которое появляется под влиянием электрического поля. Если вещество – проводник, то такими частицами являются электроны, у электролитов – это положительно и отрицательно заряженные частицы (катионы и анионы), у полупроводников – это «дырки». Последние представляют собой квазичастицы, несущие положительный заряд, который равен элементарному, характерному для проводников.

Направление частиц

Важно! В природе также существует ток смещения, действие которого обусловлено изменением разности потенциалов. Он носит переменный характер, действует из-за электрополяризации частиц среды, без смещения заряда за их границы

Для возникновения электричества в цепи обязательно соблюдение главного условия – наличия замкнутого контура. Если цепь имеет разрыв, то перемещение частиц невозможно. Для обеспечения их перемещения используют:

• Увеличение температуры проводника;
• Влияние разности потенциалов на переносчиков заряда;
• Реакции химической природы, результатом которых является образование нового вещества;
• Влияние сил магнитного поля на проводник.

Ток смещения

Результатом работы движущихся заряженных частиц являются:

• Свет в люминесцентных приборах (излучение света);
• Выделение тепловой энергии (нагревательные элементы);
• Механическая работа (при эксплуатации электро двигателей и других подобных приборов);
• Излучения электромагнитной природы.

Световое излучение в лампе накаливания

Эл. ток характеризуется силой и плотностью. Сила – величина, которую можно численно измерить. Она приравнивается к отношению самого заряда к временному периоду, за который он преодолевает поперечное сечение проводимого вещества. Плотность вычисляют путем деления силы на площадь упомянутого выше сечения.

Характер перемещения частиц может быть переменным и постоянным. У постоянного тока характеристики не изменяются с течением времени, а для переменного данное условие не актуально.

Важно! Существует ток проводимости и смещения. Первый вызван движением отрицательно заряженных частиц в металлах по отношению к ионной решетке

Второй возникает из-за движения электронов по границе проводника и вещества, не проводящего электричество (диэлектрика).

Ток в металлах

Свойства

Идеальный источник тока

Сила тока, текущего через идеальный источник тока, всегда одинакова по определению:

I=const{\displaystyle I={\text{const}}}

Напряжение на клеммах идеального источника тока (не путать с реальным источником!) зависит только от сопротивления R{\displaystyle R} подключенной к нему нагрузки:

U=I⋅R{\displaystyle U=I\cdot R}

Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку:

P=I2⋅R{\displaystyle P=I^{2}\cdot R}

Поскольку ток через идеальный источник тока всегда одинаков, то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Реальный источник

В линейном приближении любой реальный источник тока (не путать с описанным выше источником тока — моделью!) или иной двухполюсник может быть представлен в виде модели, содержащей, по меньшей мере, два элемента: идеальный источник и внутреннее сопротивление (проводимость). Одна из двух простейших моделей — модель Тевенина — содержит источник ЭДС, соединенный последовательно с сопротивлением, а другая, противоположная ей, модель Нортона — источник тока, соединенный параллельно с проводимостью (т. е. идеальным резистором, свойства которого принято характеризовать значением проводимости). Соответственно, реальный источник в линейном приближении может быть описан при помощи двух параметров: ЭДС E{\displaystyle {\mathcal {E}}} источника напряжения (или силы тока I{\displaystyle I} источника тока) и внутреннего сопротивления r{\displaystyle r} (или внутренней проводимости y=1r{\displaystyle y=1/r}).

Можно показать, что реальный источник тока с внутренним сопротивлением r{\displaystyle r} эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление r{\displaystyle r} и ЭДС E=I⋅r{\displaystyle {\mathcal {E}}=I\cdot r}.

Напряжение на клеммах реального источника тока равно

Uout=IR⋅rR+r=IR1+Rr.{\displaystyle U_{\text{out}}=I{\frac {R\cdot r}{R+r}}=I{\frac {R}{1+R/r}}.}

Сила тока в цепи равна

Iout=IrR+r=I11+Rr.{\displaystyle I_{\text{out}}=I{\frac {r}{R+r}}=I{\frac {1}{1+R/r}}.}

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна

Pout=I2R(1+Rr)2.{\displaystyle P_{\text{out}}=I^{2}{\frac {R}{\left(1+R/r\right)^{2}}}.}

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Применение

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие — электроэнергетика.

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

• получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
• получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
• получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
• возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
• получения звука,
• получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
• создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

• диагностика — биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология.
  • Электроэнцефалография — метод исследования функционального состояния головного мозга.
  • Электрокардиография — методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
  • Электрогастрография — метод исследования моторной деятельности желудка.
  • Электромиография — метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
• Лечение и реанимация: электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

Классификация

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционным.

Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.

Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.

Синусоидальный ток — периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Квазистационарный ток — «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Ток высокой частоты — переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей (см. Длинная линия).

Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.

Однонаправленный ток — это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Вихревые токи

Вихревые токи (токи Фуко) — «замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.