Постоянный электрический ток
Постоя́нный электри́ческий ток, электрический ток , не изменяющийся с течением времени по величине и направлению. Величина электрического тока характеризуется силой тока . За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток создаётся движением частиц с отрицательным зарядом, то направление тока противоположно направлению движения частиц. Для протекания постоянного тока в проводящей среде необходимо наличие постоянного электрического поля. Постоянный ток может существовать лишь в замкнутой цепи, в которой есть источник электродвижущей силы (эдс), который компенсирует потери, уменьшающие ток. В источниках эдс действуют силы неэлектрического происхождения, а компенсация потерь достигается за счёт механической, тепловой энергии ( электромашинные генераторы , магнитогидродинамические генераторы ), энергии химических реакций ( химические источники тока : гальванические элементы , батареи, аккумуляторы ), тепловой диффузии носителей тока , фотоэффекта ( солнечные батареи ) и др. Также постоянный ток можно получать путём выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых и других выпрямителей переменного тока . Постоянный ток может циркулировать в электрической цепи без источников эдс только в том случае, если все участки электрической цепи находятся в сверхпроводящем состоянии . Во всех сечениях электрической цепи сила постоянного тока не меняется (или меняется незначительно). Основные законы постоянного тока: закон Ома , устанавливающий линейную зависимость силы тока от напряжения, и закон Джоуля – Ленца , определяющий потери энергии, обусловленные выделением теплоты при протекании тока в проводящей среде ( джоулевы потери ). При сильных электрических полях линейная зависимость силы тока от напряжения может нарушаться, соответственно говорят о нелинейных явлениях в электрических цепях. Расчёт разветвлённых цепей постоянного тока производится с помощью правил Кирхгофа .
Постоянный ток низкого напряжения используется в различных отраслях промышленности, например в электрометаллургии (для расплава и электролиза руд), на транспорте (тяговые электродвигатели), для питания регулируемых электроприводов прокатных станов, вентиляционных установок аэродинамических труб, крупных экскаваторов, а также в системах автоматики, сигнализации и телемеханики, устройствах связи, бытовых радиоприёмниках и др. Перспективно использование постоянного тока для передачи электроэнергии на дальние расстояния.
Опубликовано 16 августа 2022 г. в 13:30 (GMT+3). Последнее обновление 16 августа 2022 г. в 13:30 (GMT+3). Связаться с редакцией
#Электродинамика
Информация
Области знаний: Электрический ток
- Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия»
Создан при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации.
Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС77-84198, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 15 ноября 2022 года.
ISSN: 2949-2076 - Учредитель: Автономная некоммерческая организация «Национальный научно-образовательный центр «Большая российская энциклопедия»
Главный редактор: Кравец С. Л.
Телефон редакции: +7 (495) 917 90 00
Эл. почта редакции: secretar@greatbook.ru
- © АНО БРЭ, 2022 — 2024. Все права защищены.
- Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей. - Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей.
Постоянный ток — общие понятия, определение, единица измерения, обозначение, параметры
Постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся по времени и по направлению. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. В том случае, если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление его считают противоположным направлению движения частиц.
Строго говоря, под «постоянным электрическим током» следовало бы понимать «электрический ток постоянный по величине», соответственно математическому понятию «постоянная величина». Но в электротехнику этот термин был введен в значении «электрического тока, постоянного по направлению и практически постоянного по величине».
Под «практически постоянным по величине электрическим током» понимают ток, изменения которого во времени столь незначительны по величине, что при рассмотрении явлений в электрической цепи, по которой проходит такой электрический ток, этими изменениями вполне можно пренебречь, а следовательно, можно не учитывать ни индуктивности, ни емкости электрической цепи.
Наиболее распространенные источники постоянного тока — гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки.
В электротехнике для получения постоянного тока используют контактные явления, химические процессы (первичные элементы и аккумуляторы), электромагнитное наведение (электромашинные генераторы). Широко применяется также выпрямление переменного тока или напряжения.
Из всех источников э. д. с. химические и термоэлектрические источники, а также так называемые униполярные машины являются идеальными источниками постоянного тока. Остальные устройства дают пульсирующий ток, который при помощи специальных устройств в большей или меньшей мере сглаживается, лишь приближаясь к идеальному постоянному току.
Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока.
Сила тока — это количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Если за время I через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества Q, то сила тока I=Q/ t
Единица измерения силы тока — ампер (А).
Плотность тока — это отношение силы тока I к площади поперечного сечения F проводника — I/F. (12)
Единица измерения плотности тока — ампер на квадратный миллиметр (А/мм 2 ).
В замкнутой электрической цепи постоянный ток возникает под действием источника электрической энергии, который создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов, измеряемую в вольтах (В).
Зависимость между разностью потенциалов (напряжением) на зажимах электрической цепи, сопротивлением и током в цепи выражается законом Ома . Согласно этому закону для участка однородной цепи сила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению I = U/R ,
где I — сила тока. A, U— напряжение на зажимах цепи В, R — сопротивление, Ом
Это самый важный электротехнический закон. Подробнее о нем смотрите здесь: Закон Ома для участка цепи
Работу, совершаемую электрическим током в единицу времени (секунду), называют мощностью и обозначают буквой Р. Эта величина характеризует интенсивность совершаемой током работы.
Мощность P=W/t= UI
Единица измерения мощности — ватт (Вт).
Выражение мощности электрического тока можно преобразовать, заменив на основании закона Ома напряжение U произведением IR. В результате получим три выражения мощности электрического тока P = UI= I 2 R= U 2 /R
Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока. Этот принцип используют при передаче электрической энергии на расстояния.
Ток, протекая по проводнику, выделяет теплоту и нагревает его. Количество теплоты Q, выделяющейся в проводнике определяют формулой Q = I 2 Rt.
Эту зависимость называют законом Джоуля — Ленца .
На основании законов Ома и Джоуля — Ленца можно проанализировать опасное явление, которое часто возникает при непосредственном соединении между собой проводников, подводящих электрический ток к нагрузке (электроприемнику). Это явление называют коротким замыканием , так как ток начинает протекать более коротким путем, минуя нагрузку. Такой режим является аварийным.
На рисунке приведена схема включения лампы накаливания E L в электрическую сеть. Если сопротивление лампы R — 500 Ом, а напряжение сети U = 220 В, то ток в цепи лампы будет I = 220/500 = 0,44 А.
Схема, поясняющая возникновение короткого замыкания
Рассмотрим случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, соединены через очень малое сопротивление ( R ст — 0,01 Ом), например толстый металлический стержень. В этом случае ток цепи, подходя к точке А, будет разветвляться по двум направлениям: большая его часть пойдет по пути с малым сопротивлением — по металлическому стержню, а небольшая часть тока I л.н — по пути с большим сопротивлением — лампе накаливания.
Определим ток, протекающий по металлическому стержню: I = 220/0,01 =22 000 А.
При коротком замыкании (к.з) напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большую потерю напряжения, и ток, протекающий по металлическому стержню, будет несколько меньше, но тем не менее во мною раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.
Как известно, в соответствии с законом Джоуля-Ленца ток, проходя по проводам, выделяет теплоту, и провода нагреваются. В нашем примере площадь поперечного сечения проводов рассчитана на небольшой ток 0,44 А.
При соединении проводов более коротким путем, минуя нагрузку, по цепи будет протекать очень большой ток — 22000 А. Такой ток вызовет выделение большого количества теплоты, что приведет к обугливанию и возгоранию изоляции, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактом выключателей, ножей рубильнике и т. п.
Источник электрической энергии, питающий такую цепь, может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар. Вследствие этого при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы предупредить непоправимые последствия короткого замыкания, необходимо соблюдать следующие условии: изоляция проводов должна соответствовать напряжению сети и условиям работы.
Площадь поперечною сечения проводов должна быть такой, чтобы нагревание их при нормальной нагрузке не достигало опасного значения. Места соединений и ответвлений проводов должны быть качественно выполнены и хорошо изолированы. В помещении провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от механических и химических повреждений и от сырости.
Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, ее защищают с помощью предохранителей или автоматических выключателей.
Существенный недостаток постоянного тока состоит в том, что его напряжение сложно повысить. Это затрудняет передачу электрической энергии на постоянном токе на большие расстояния.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Постоянный и переменный ток что это?
Процесс электрического тока можно аналогично сравнить с перемещением воды из резервуара с более высоким уровнем жидкости в резервуар с более низким уровнем. Вода течет по трубе, соединяющей резервуары, пока разница в уровнях воды сохраняется. Движение воды в трубе прекращается, когда давление на обоих концах трубы становится равным. Непрерывный поток воды достигается при наличии разницы давления, поддерживаемой, например, при помощи подходящего насоса.
Для существования электрического тока, то есть направленного потока электрически заряженных частиц, требуется постоянное воздействие на эти частицы, например, от электрического поля, которое должно быть создано внутри проводника. Внутри изолятора также возможно создание электрического поля, но это не приведет к появлению электрического тока из-за отсутствия свободных зарядов. Присутствие электрического поля в проводнике эквивалентно наличию электрического напряжения между его концами. Чтобы обеспечить постоянный электрический ток в потребителе, необходим подходящий источник электрической энергии (источник тока), поддерживающий разность электрических потенциалов между выводами потребителя, то есть электрическое напряжение. Роль источника в электрической цепи схожа с функцией насоса, который поддерживает разницу давлений в резервуарах, обеспечивая непрерывный поток в замкнутом контуре. Как и насос, который поднимает воду с нижнего уровня резервуара на верхний, источник тока выполняет работу, увеличивая потенциальную энергию зарядов, которую они расходуют, проходя через потребитель тока, где часто эта энергия преобразуется в тепловую.
Постоянный ток
Наличие разницы потенциалов между контактами порождает положительную полярность на одном конце и отрицательную на другом. Эта устойчивая конфигурация сохраняется постоянно, при условии сохранения последовательности подключения. Важно отметить, что направление движения заряженных частиц при этом остается постоянным.
Это тип тока, в котором направление и величина электрического потока остаются постоянными с течением времени. Такой ток характерен, например, для батарей, аккумуляторов и постоянных источников электропитания. Обозначается как «DC» (Direct Current) на английском языке.
Переменный ток
Существует также понятие частоты в случае переменного тока. В отличие от стабильного постоянного электрического тока, переменный ток характеризуется периодической сменой полярности с определенной частотой. Например, в типичной бытовой электрической сети такие изменения происходят 50 раз в секунду, что в терминах электротехники называется частотой 50 Гц.
Передача переменного тока обладает преимуществом в том, что она не ограничивается длиной расстояния, мощностью и не приводит к большим потерям энергии. Это свойство позволяет использовать переменный ток в электрических линиях передачи. Кроме того, трёхфазная система электроснабжения удобна для подключения электромоторов и обладает другими техническими преимуществами.
В сетях переменного тока напряжение источника меняется синусоидально (синусоидальный ток), что позволяет эффективно передавать энергию на большие расстояния. Обозначается как «AC» (Alternating Current) на английском языке.
Сравнение постоянного и переменного тока
Постоянный ток:
- Направление потока заряженных частиц остается постоянным.
- Используется в батареях, аккумуляторах и постоянных источниках питания.
- Прост в генерации и хранении.
- Обозначается как «DC» (Direct Current).
Переменный ток:
- Направление потока заряженных частиц периодически меняется.
- Характеризуется частотой, например, 50 или 60 Гц в бытовых сетях.
- Используется в большинстве электропередач и бытовых устройствах.
- Может передаваться на большие расстояния с небольшими потерями.
- Обозначается как «AC» (Alternating Current).
Сравнение их характеристик:
- Направление: Постоянный ток имеет постоянное направление, в то время как направление переменного тока периодически изменяется.
- Использование: Постоянный ток используется в источниках питания, где постоянство напряжения важно. Переменный ток широко используется в электрических системах передачи энергии и бытовых устройствах.
- Генерация: Генерация постоянного тока проще, чем переменного. Для создания постоянного тока не требуется сложных устройств, таких как генераторы переменного тока.
- Передача: Постоянный ток не так эффективно передается на большие расстояния из-за потерь энергии в проводниках. Переменный ток, особенно высокой частоты, имеет меньшие потери при передаче на большие расстояния.
- Подключение к устройствам: Постоянный ток прямо подходит для устройств, которым требуется стабильное напряжение. Переменный ток, напротив, может быть трансформирован с помощью трансформаторов для различных устройств с разными потребностями в напряжении.
- Электромоторы: Постоянный ток обычно используется в постоянных электродвигателях, в то время как трёхфазный переменный ток — в трёхфазных электродвигателях.
- Частота: Постоянный ток не имеет частоты, в то время как переменный ток характеризуется частотой.
Физика. 10 класс
Постоянный ток — модель электрического тока, в которой сила тока не зависит от времени при неизменном распределении заряда в проводнике.
Термин «электрический ток» и определение направления тока введены Андре-Мари Ампером в 1820 г.
Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц — носителей заряда.
• Сила тока — физическая скалярная величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.
• За направление электрического тока условно принято направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц.
• Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению:
(Закон Ома для участка электрической цепи.)
Сопротивление проводника прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения:
В 8-м классе вы научились собирать электрические цепи и знаете, что обязательными их звеньями являются источник тока и потребитель. Источник тока обеспечивает требуемое напряжение на потребителе — устройстве, в котором необходимо создать электрический ток и использовать какие-то из его действий: тепловое, химическое, магнитное, световое. В данной главе мы рассмотрим условия существования тока и процессы, происходящие в электрической цепи, введём характеристики источника тока. Это стало возможным после изучения характеристик электростатического поля.