Постійний електричний струм

Електричний струм

Електричний струм в металевому провіднику

Електричний струм – це направлений рух електричних зарядів, які приводяться в рух електричним полем або рухаються на протидію електричному полю. Чисельно електричний струм характеризують швидкістю переміщення електричних зарядів

Рухомі носії зарядів у провіднику переміщуються під дією зовнішнього електричного поля доти, доки не вирівняються потенціали всіх точок провідника. Проте якщо у двох точках провідника якимось чином штучно підтримувати різні потенціали, то це поле забезпечуватиме безперервний рух зарядів: позитивних — від точок з більшим потенціалом до точок з меншим потенціалом, а негативних — навпаки. Коли ця різниця потенціалів не змінюється із часом, то в провіднику встановлюється постійний електричний струм.

Упорядкований рух вільних зарядів у провіднику називається електричним струмом провідності, або електричним струмом.

Для існування електричного струму необхідне виконання певних умов, серед яких:

  • наявність вільних заряджених частинок;

  • наявність джерела струму, що створює електричне поле, дія якого зумовлює впорядкований рух вільних заряджених частинок;

  • замкненість електричного кола, що забезпечує циркуляцію вільних заряджених частинок.

Залежно від величини питомого опору, який речовини чинять постійному струму, вони поділяються на провідники, напівпровідники, діелектрики.

Повне електричне коло містить джерело і споживачі електричного струму, пристрій для замикання (розмикання) електричного кола. За напрямок струму в колі умовно обирають напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного (реальний рух носіїв струму — електронів — відбувається у зворотному напрямку).

Основні фізичні величини, що характеризують електричний струм

Сила струму І — фізична величина, яка характеризує швидкість перерозподілу електричного заряду в провіднику й визначається відношенням заряду q, що проходить через будь-який переріз провідника за час t, до величини цього інтервалу часу.

Опис досліду: якщо взяти два тонкі провідники, розташувати їх паралельно один до одного, підключити до джерела струму й замкнути електричне коло, то провідники почнуть взаємодіяти один з одним: притягуються, якщо напрямок струму в них однаковий, або відштовхуються, якщо напрямок струму протилежний. А. М. Ампер виміряв силу взаємодії цих провідників, і виявилося, що ця сила залежить від довжини провідників, відстані між ними, середовища, у якому вони перебувають, і від сили струму в провідниках. Учений визначив, що у вакуумі два дуже тонкі й довгі паралельні провідники довжиною 1 м, відстань між якими — 1 м, а сила струму в кожному з них однакова, взаємодіють із силою 2∙107 Н, а це і є сила струму в 1 ампер.

Значення сили струму в деяких електротехнічних пристроях

Сила струму, який проходить через тіло людини, вважається безпечною, якщо її значення не перевищує 1 мА; сила струму 100 мА може призвести до серйозних уражень. Тому, щоб не наражатися на смертельну небезпеку під час роботи з електротехнічними приладами й пристроями, необхідно суворо дотримуватися правил безпеки. Ми ж зупинимося на головних моментах, які слід пам’ятати всім, хто має справу з електрикою.

НЕ МОЖНА:

  • торкатись оголеного проводу, особливо стоячи на землі, сирій підлозі тощо;

  • користуватися несправними електротехнічними пристроями;

  • збирати, розбирати, виправляти електротехнічні пристрої, не від'єднавши їх від джерела струму.

Для вимірювання сили струму використовують прилад, який називається амперметром.

Як і будь-який вимірювальний прилад, амперметр має не впливати на значення вимірюваної величини. Тому амперметр сконструйований таким чином, що в разі приєднання його до електричного кола значення сили струму в колі практично не змінюється.

Деякі види амперметрів: о — демонстраційний; б — лабораторний із дзеркальною шкалою; в — шкільний лабораторний; г — електронний

Вимірювання амперметром сили струму, який проходить через спіраль лампи: а — загальний вигляд електричного кола; б — схема

Правила, яких необхідно дотримуватися під час вимірювання сили струму амперметром

  1. Амперметр вмикають у коло послідовно з тим провідником, у якому необхідно виміряти силу струму.

  2. Клему амперметра, біля з якої стоїть знак «+», потрібно з’єднувати з проводом, що йде від позитивного полюса джерела струму, клему зі знаком «-» — із проводом, що йде від негативного полюса.

  3. Не можна приєднувати амперметр до кола, в якому відсутній споживач струму, — це може призвести до псування обладнання або пожежі.

Напруга — це фізична величина, яка характеризує роботу електричного поля з перенесення заряду 1 Кл у певній ділянці кола.

Напруга U на ділянці кола чисельно дорівнює відношенню роботи струму до електричного заряду q, що переміщується в даній ділянці кола.

Електрична напруга вимірюється у вольтах (на честь відомого італійського фізика Алессандро Вольта). 1 вольт дорівнює такій електричній напрузі на кінцях ділянки кола, коли, переміщуючи електричний заряд в 1 Кл, електричне поле виконує роботу 1 джоуль.

Для практичних потреб використовують також частинні й кратні одиниці напруги: мілівольт (1 мВ = IO3 В), мікровольт (1 мкВ = IO 6 В), кіловольт (1 кВ = IO3 В), мегавольт (I MB = IO6 В).

Для вимірювання напруги на полюсах джерела струму та на будь-якій ділянці кола використовують спеціальні прилади — вольтметри.

Види вольтметрів: а) демонстраційний, б) лабораторний, в) цифровий

Вольтметри працюють за таким самим принципом, як і амперметри. Чим більша напруга на ділянці кола, тим більшим буде кут відхилення стрілки вольтметра.

На відміну від амперметра, вольтметр вмикається в електричне коло паралельно тій його ділянці, на якій потрібно виміряти напругу.

Опір металевого провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу й залежить від речовини, з якої виготовлено провідник.

Питомий опір речовини — це фізична величина, яка характеризує електричні властивості даної речовини й чисельно дорівнює опору виготовленого з неї провідника завдовжки 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2.

На тому факті, що опір провідника прямо пропорційний його довжині, базується принцип дії реостата.

Реостат — це пристрій зі змінним опором, призначений для регулювання сили струму в ділянці електричного кола.

Якщо реостат ввести в електричне коло, то, змінюючи опір реостата можна відповідно змінювати силу струму в колі, а отже настроювати гучність звуку радіоприймача, регулювати яскравість світіння лампочки тощо.

Двоконтактний повзунковий реостат: а — зовнішній вигляд: 1,6 — клеми; 2 — керамічний циліндр; 3 — металевий дріт (обмотка); 4 — повзунок; 5 — металевий стрижень; 6 — умовне позначення на схемах.

Розглянемо дво-контактний повзунковий реостат. Металевий дріт (3) намотують на керамічний циліндр (2) і таким чином зменшують габарити реостата. Над обмоткою закріпляють металевий стрижень (5), по якому переміщують міцно притиснутий до обмотки рухомий контакт — повзунок (4).

Стрілками вказано як протікає електричний струм через реостат

Електричний струм в ланцюзі проходить від витоків дроту до повзунка, а через нього в стрижень, який має на кінці затиск 1. За допомогою цього затиску і затиску 2, з'єднаного з одним з кінців обмотки і розташованого на корпусі реостата, реостат під'єднують в ланцюг.

Найпростішим реостатом може служити дріт з матеріалу з великим питомим опором, наприклад, нікелінового або ніхромовий. Включивши такий дріт в ланцюг джерела електричного струму через контакти А і С і пересуваючи рухливий контакт С, можна зменшувати або збільшувати довжину включеної в ланцюг ділянки АС. При цьому буде змінюватися опір ланцюга, а, отже, і сила струму в ній, це покаже амперметр.

На практиці для вимірювання опору провідників використовують спеціальні прилади — омметри.

Електричне коло

З'єднані провідниками в певному порядку джерело струму, споживачі, замикальні (розмикальні) пристрої складають електричне коло.

Зверніть увагу: в реальному пристрої важливим є певний порядок з'єднання елементів електричного кола.

Щоб показати, які саме електричні пристрої необхідні для одержання певного електричного кола і як їх потрібно з’єднувати, використовують електричні схеми (або просто схеми).

Електрична схема — це креслення, на якому умовними позначеннями показано, з яких елементів складається електричне коло і в який спосіб ці елементи з'єднані між собою.

Умовні позначення деяких елементів електричного кола наведено в таблиці. Зверніть увагу на позначення джерел струму (гальванічного елемента або акумулятора та батареї гальванічних елементів або акумуляторів): прийнято, що довга риска позначає позитивний полюс джерела струму, а коротка — негативний.

Напрямок струму показують на схемах стрілкою.

За напрямок струму в колі умовно прийнято напрямок, у якому б рухалися по колу позитивно заряджені частинки, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного.

Закон Ома для ділянки кола

Зв’язок між силою струму, напругою та опором виражає закон, відкритий німецьким вченим Георгом Омом (1787—1854). Закон Ома — один з основних фізичних законів.

Закон Ома формулюється так: сила струму в ділянці кола (провіднику) прямо пропорційна напрузі на цій ділянці (кінцях провідника) і обернено пропорційна електричному опорові ділянки кола ( провідника )

Установка для визначення залежності сили струму від опору при сталій напрузі та графік цієї залежності.

Дослід зі встановлення залежності між силою струму і напругою: а) схема досліду, б) графічне представлення результатів досліду.

Залежність між силою струму в провіднику, його опором і напругою на кінцях провідника

Вольт-амперна характеристика – залежність сили струму від прикладеногї до елемента кола електричної напруги.

Графік залежності сили струму в провіднику від напруги на його кінцях — пряма лінія.

Спад напруги — різниця потенціалів між кінцями ділянки електричного кола, в якому протікає електричний струм.

Позначається здебільшого літерою ∆U, вимірюється у вольтах.

Спад напруги визначається силою струму й властивостями елементів ділянки електричного кола.

Принципова різниця між напругою і спадом напруги у тому, що напруга прикладається до ділянки кола, в той час як спад напруги визначається струмом крізь елемент. У разі єдиного елемента на ділянці, різниці немає — спад напруги дорівнює прикладеній напрузі. Однак, у випадку кількох елементів на ділянці кола, тільки сумарний спад напруги на всіх елементах дорівнює напрузі. Розрахунок спаду напруги на кожному з елементів потребує визначення сили струму, який протікає крізь кожен елемент.

Спад напруги на двох опорах

Завдання для самостійного дослідження

Опір провідників

Опис

Спостерігайте за змінами рівняння та тими, які відбуваються в дроті під час гри з повзунками опору, довжини та площі.

Навчальні цілі

  • Передбачте, як зміна кожної змінної вплине на опір.

  • Поясніть різницю між опором та опірністю.

Закон Ома

Опис

Подивіться, як формула закону Ома співвідноситься з простою схемою. Регулюйте напругу і опір і подивіться на зміну струму відповідно до закону Ома. Розміри символів у рівнянні змінюються, щоб відповідати схемі.

Навчальні цілі

  • Передбачте, як змінюється струм, коли опір в колі незмінний, а напруга змінюється.

  • Передбачте, як буде змінюватися струм,коли напруга в колі незмінна, а опір змінюється.

Цікаво знати

Фігури Ліхтенберга —це розгалужені електричні розряди, які можуть з'являтися на поверхні та в середині ізолюючих матеріалів (твердих тіл, рідин або газів) у процесі електричного пробою. Дослідження плоских фігур Ліхтенберга на ізолюючих поверхнях та тривимірних електричних дерев всередині ізолюючих матеріалів часто дає інженерам важливі відомості про шляхи збільшення довготермінової надійності високовольтного обладнання. Фігури Ліхтенберга тісно пов'язані з поступовим погіршенням роботи високовольтних радіоелементів та обладнання.

Вперше було відкрите та досліджене у 1777 році німецьким дослідником Георгом Крістофом Ліхтенбергером, на честь котрого і було їх названо. Відкриття фігур Ліхтенберга є попередником і відправним пунктом сучасної фізики плазми. Хоча Ліхтенберг вивчав лише двовимірні (2D) фігури, сучасні дослідники високих напруг крім цього також вивчають просторові 3D фігури (електричні дерева) на поверхні та всередині діелектричних матеріалів. Відомо, що фігури Ліхтенберга є зразками фракталів.

Фігури Ліхтенберга можуть утворюватися на тілі потерпілих від удару блискавки. При цьому на шкірі з'являються червоні візерунки, які можуть залишатися впродовж декількох годин або діб. Вони стають у пригоді медичним експертам при встановленні причин смерті. Фігури Ліхтенберга на тілі людини інколи називають блискавковими квітами. Вважається, що їх спричиняють розриви капілярів під поверхнею шкіри, викликані проходженням струму або ударної хвилі від розряду блискавки при її сполоху над шкірою.

Отримання фігури Ліхтенберга електричним розрядом

Електричні дерева часто з'являються у високовольтному обладнанні незадовго до виникнення несправності, спричиняючи його подальший вихід з ладу. При розслідуванні причин несправності, ці фігури Ліхтенберга допомагають виявити місце пробою ізоляції, оскільки дають змогу простежити шлях розповсюдження електричного розряду. Досвідчений інженер, спостерігаючи за формою «дерев» на зруйнованій ізоляції і напрямками їх «гілок», здатен встановити місце виникнення пробою та його можливу причину. Виведені з ладу трансформатори, високовольтні кабелі, розрядники та інше обладнання може досліджуватися за цим методом. Ізоляція розмотується (якщо вона паперова) або розрізається на тонкі шматки (у випадку твердого ізоляційного матеріалу). Отримані результати фотографуються або замальовуються з метою фіксації процесу пробою.