Связь между силой тока и скоростью движения зарядов
Рассмотрим металлический проводник. Мысленно выделим в нем два сечения площадью \(\large S \) на некотором расстоянии \(\large \Delta x\) одно от другого. Сечения располагаются поперечно проводнику.
В металлах электрический ток создается электронами. Обозначим \(\large e_{0}\) заряд каждого электрона.
Рис. 10. Свободные заряды в объеме проводника
Заряды в проводнике, под действием электрического поля напряженностью \(\large \vec{E} \) будут двигаться сонаправленно, от сечения к сечению.
При этом, они будут проходить путь \(\large \Delta x\) между двумя сечениями.
Если ток постоянный, то скорость движения зарядов изменяться не будет.
В таком случае, расстояние \(\large \Delta x\) и скорость \(\large v\) движения электронов будут связаны формулой равномерного движения.
\
\(\large \Delta x \left( \text{м}\right) \) – расстояние между двумя поперечными сечениями;
\(\large v \left( \frac{\text{м}}{c}\right) \) – скорость, с которой сонаправленно движутся заряды в проводнике; Эта скорость значительно меньше скорости теплового движения.
\(\large \Delta t \left( c \right) \) – интервал времени, за который пройдено расстояние \(\large \Delta x\) между двумя поперечными сечениями;
Выразим из этой формулы время движения:
\
Это выражение нам понадобится далее.
Сечения \(\large S \) и расстояние между ними \(\large \Delta x\) образуют в проводнике цилиндрический объем:
\
\(\large V \left( \text{м}^{3}\right) \) – объем цилиндра;
В этом объеме содержится определенное количество электронов. Обозначим это количество: \(\large N \) штук.
Количество штук \(\large N \), расположенное в объеме \(\large V\), называют концентрацией:
\
\(\large n \left( \frac{\text{штук}}{\text{м}^{3}}\right) \) – концентрация зарядов в объеме;
Найдем общий заряд всех заряженных частиц, расположенных в объеме \(\large V\) между двумя поперечными сечениями:
\
Умножим правую часть уравнения на единицу, которую представим в виде дроби \(\displaystyle \frac{V}{V}\), в которой \(\large V\) – это рассматриваемый объем. Тогда полный заряд можно записать в таком виде:
\
Числитель V дроби и количество N частиц поменяем местами.
\
Подставим в эту формулу выражение для объема:
\
Дробь в правой части заменим символом «n» концентрации:
\
Средняя скорость совместного направленного движения зарядов \(\large v\).
Применим определение силы тока:
\
Подставим в это выражение формулу для общего заряда, прошедшего через сечение проводника:
\
Выражение для удобства можно переписать так:
\
Мы заранее выразили время \(\large \Delta t \):
\
Найдем для него обратную величину:
\
Подставим ее в формулу для тока:
\
Расстояние \(\Delta x\) находится в числителе и в знаменателе, оно сократится. Окончательно получим выражение для связи между силой тока и скоростью движения зарядов:
\
Теперь можно утверждать, что
- чем больше зарядов помещаются в объеме,
- чем быстрее они сонаправленно двигаются
- и, чем толще проводник (чем больше площадь поперечного сечения),
тем больше ток.
Электрический ток
Электрический ток в проводниках представляет собой:
в металлах — направленное движение электронов (проводники первого рода);
в электролитах — направленное движение положительных и отрицательных ионов (проводники второго рода);
в плазме — направленное движение электронов и ионов обоих знаков (проводники третьего рода).
За направление электрического тока условились считать направление движения положительно заряженных частиц.
Движение заряженных частиц внутри проводника нельзя наблюдать, но судить о наличии электрического тока можно по его действиям:
- тепловому — проводник с током нагревается;
- магнитному — вокруг проводника с током возникает магнитное поле;
- световому — проводник с током может светиться;
- химическому — в проводнике с током изменяется химический состав (такие проводники называются проводниками второго класса).
Для продолжительного существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо выполнение следующих условий:
- наличие свободных заряженных частиц (носителей тока);
- наличие электрического поля, силы которого, действуя на заряженные частицы, заставляют их двигаться упорядоченно;
- наличие источника тока, внутри которого сторонние силы перемещают свободные заряды против электростатических (кулоновских) сил.
Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.
Сила тока — скалярная физическая величина, равная отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку:
Единицей силы тока в СИ является ампер (А).
Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называется постоянным.
Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника:
В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).
*Зависимость силы тока от скорости зарядов
Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.
Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы q. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится n∙S∙Δl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд \(~\Delta q = q_0 \cdot n \cdot S \cdot \Delta l\).
Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов \(~\left\langle \upsilon \right\rangle\), то за промежуток времени \(~\Delta t = \dfrac{\Delta l}{\left\langle \upsilon \right\rangle}\) все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:
Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.
Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов \(~\left\langle \upsilon \right\rangle\) при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 106 м/с.
Как следует из формулы (1), плотность тока \(~\vec j = q_0 \cdot n \cdot \left\langle \vec \upsilon \right\rangle\).
Направление вектора плотности тока \(~\vec j\) совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения \(~\left\langle \vec \upsilon \right\rangle\) положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.
Как узнать ток, зная мощность и напряжение?
В металлах, из которых сделаны провода, находятся свободные электроны, участвующие в работе. На клеммах источника тока создается сила, заставляющая заряды перемещаться по проводнику. Эта сила называется электродвижущей (э. д. с.). В постоянных цепях электроны выходят из источника с одной клеммы и «втягиваются» другой. При движении электронов совершается какая-то работа, зависящая от напряжения и тока. Связь силы тока с мощностью и напряжением видна в формуле:
P = UI,
где P – мощность, Вт; U – напряжение, В; I – ток, А.
Что такое ток? Для наглядности возьмем несколько рек, вода в которых течет с одинаковой скоростью. Однако русло у всех разное: одни реки широкие, другие узкие, какие-то глубокие или мелкие. Понятно, что объем воды, проходящий через контрольную точку, у всех будет разным. Выходит, что чем глубже или шире река, тем большее воды проходит по ней.
То же самое относится к электронам – чем больше их проходит через точку на проводнике, тем больший ток мы имеем. В отличие от рек, которые в половодье могут разливаться, избыток носителей заряда не может выходить за пределы провода. Как рассчитать пропускную способность кабеля рассмотрим в последнем подзаголовке.
Сравним зависимость силы тока от мощности и напряжения. Для этого воспользуемся приведенной выше формулой.
Сначала все значения следует привести к единой системе. Если мощность выражена в киловаттах или милливаттах, их нужно перевести в ватты. В одном киловатте 1 000 ватт. В одном ватте содержится 1 000 милливатт. То же самое относится и к напряжению. Если переделать формулу в такой вид: I = , то можно рассчитать ток. Например, есть утюг мощностью 1,2 кВт, как узнать ток?
Вольтметром измеряем напряжение в розетке, если прибора нет, можно считать его равным 220 В. Киловатты утюга переводим в ватты, получаем 1 200 ватт. Эти значения вставляем в формулу:
Электрический ток
Согласно школьного курса физики – это упорядоченное движение заряженных частиц. Заряженными частицами, в зависимости от среды распространения, считаются электроны или ионы. Для металлов эти частицы – электроны, для некоторых газов или электролитов – ионы. Считается что именно их движение и являются электрическим током.
Как известно, в мире физики, объекты, обладающие разностью зарядов притягиваются, чтобы достигнуть равновесного состояния. Этот факт отлично подтверждает всем известный эксперимент с эбонитовой палочкой. Таким образом, электрический ток — это поток электронов или ионов, стремящихся воссоздать равновесие в мире электрических зарядов.
Не углубляясь в разновидности проводников, рассмотрим обыкновенные электрические провода и электроны, бегущие в них. Электроны заряжены отрицательно, значит их массовое скопление — это отрицательно заряженный объект. В то же время положительно заряженный объект — это место где имеется нехватка этих самых электронов, а значит скопление ионов (атомов с недостающими электронами). Так как природа стремится воссоздать равновесие, образуется поток электронов от минуса к плюсу.
Если природа стремится к равновесию, то отчего же образовались эти недостачи и излишки электронов?
Ответ довольно банален, за исключением некоторых природных явлений вроде молнии или статических разрядов. Люди их создают искусственно, чтобы пользоваться стремлением, или другими словами, силой природы прийти в равновесное состояние, в своих интересах. Как это происходит подробно рассказано в статье про источники тока.
Маленькая особенность: так как само явление электричества было открыто гораздо раньше его природы (упорядоченного движения электронов в металлах), а раньше люди думали, что движутся положительно заряженные частицы), то принято считать, что электрический ток течет от плюса к минусу, хотя сейчас уже ясно, что всё происходит наоборот. В консервативном мире науки решили ничего не менять и продолжают пользоваться веками укоренившейся схемой.
Поняв, как всё это движется, можно попробовать разобраться, что нам даёт этот самый электрический ток. Прохождение электронов по проводнику сопровождается массой удивительных физических явлений, от простого нагревания проводника, до электромагнитного поля вокруг него, но обо всём по порядку.
Как известно, электроны очень маленькие и понаблюдать за ними даже через самый мощный микроскоп не удастся. Поэтому для понимания и визуализации такого действа как электрический ток, придумали очень удобное сравнение — сравнение с водопроводной трубой.
Итак, представим себе водопроводную трубу, она является проводником или просто проводом, очень близко не так ли? В этой трубе течет вода – капли которой очень похожи на электроны, текущие в проводах. Эту воду что-то толкает и ей что-то мешает.
Поток воды можно описать присущими ему свойствами, такими как давление и скорость, а характеристики трубы можно описать такими понятиями как её пропускная способность и сопротивление потоку воды.
По аналогии поток электронов, то есть электрический ток, можно описать такими характеристиками как электрическое напряжение (давление для воды) и сила тока (объём потока воды). Электрический проводник по аналогии с трубой можно описать таким свойством как сопротивление электрическому току (сопротивление потоку воды).
К примеру, тонкая труба может пропустить лишь небольшой поток воды, точно также, тонкий провод способен пропустить поток электронов только с небольшой силой тока. Тонкая струйка, вылетающая из водного пистолета, имеет большую скорость, но очень маленький объем воды, также искра, вылетающая из пьезоэлемента зажигалки, имеет высокое напряжение, но очень маленькую силу тока.
Представим себе огромную трубу диаметром в целый метр и из неё течет, а лучше сказать «вываливается» огромное количество воды, при этом давление в ней довольно низкое (единицы атмосфер), но поток воды просто огромен (сотни литров в секунду). Та же история с толстым проводом точечной электросварки, напряжение там невысокое (несколько вольт), но сила тока просто огромная (сотни ампер), в месте контакта плавится металл. Предположим, что на краю трубы есть кран и он закрыт, вода внутри есть, но она никуда не течёт. Тоже самое с проводником, если цепь от плюса к минусу разорвана, а воздух для электрического тока настолько же труднопроходимая среда, как кран для воды, то ток тоже никуда не течёт. Но электроны из проводника, как и вода из трубы, никуда не делись и напряжение, как и давление в трубе тоже осталось, нет только потока электронов, а значит сила тока равна нулю.
Происхождение переменного и постоянного тока
Магнитное поле около провода заставляет электроны течь в одном направлении вдоль провода, потому что они отталкиваются отрицательной стороной магнита и притягиваются к положительной стороне. Так родился источник постоянного тока от батареи, в первую очередь благодаря работе Томаса Эдисона.
Генераторы переменного тока постепенно заменили аккумуляторную систему постоянного тока Edison, потому что переменный ток безопаснее переносить на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность. Вместо постоянного применения магнетизма вдоль проволоки ученый Никола Тесла использовал вращающийся магнит. Когда магнит был ориентирован в одном направлении, электроны текли к положительному, но когда ориентация магнита была перевернута, электроны также поворачивались.
Единицы измерения: вольт, ампер и ом
Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в цепях, нам нужно уметь описывать их количества так же, как мы могли бы количественно определить массу, температуру, объем, длину или любые другие физические величины. Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия. В таблице ниже приведены стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:
| Величина | Символ | Единица измерения | Сокращение единицы измерения |
|---|---|---|---|
| Ток | I | Ампер | А |
| Напряжение | V | Вольт | В |
| Сопротивление | R | Ом | Ом |
«Символ», присвоенный каждой величине, представляет собой стандартную букву латинского алфавита, используемую для представления этой величины в формулах. Подобные стандартизированные буквы распространены во всех физических и технических дисциплинах и признаны во всем мире. «Сокращение единицы измерения» для каждой величины представляет собой алфавитный символ(ы), используемый в качестве сокращенного обозначения конкретной единицы измерения.
Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: ампер в честь француза Андре М. Ампера, вольт в честь итальянца Алессандро Вольта, а ом в честь немца Георга Симона Ома.
Математический символ для каждой величины также имеет значение. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя («Resistance» и «Voltage», соответственно), тогда как «I» для тока кажется немного странным. Предполагается, что буква «I» должна представлять «интенсивность» («Intensity»)(потока заряда). Судя по исследованиям, которые мне удалось провести, кажется, что есть некоторые разногласия по поводу значения слова «I». Другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущую силу» («Electromotive force»). Символы «E» и «V» по большей части взаимозаменяемы, хотя в некоторых текстах «E» зарезервировано для обозначения напряжения на источнике (таком как батарея или генератор), а «V»– для обозначения напряжения на любом другом элементе.
Все эти символы выражаются заглавными буквами, за исключением случаев, когда величина (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (так называемые «мгновенные» значения). Например, напряжение батареи, которое стабильно в течение длительного периода времени, будет обозначаться заглавной буквой «E», тогда как пиковое напряжения при ударе молнии в тот самый момент, когда она попадает в линию электропередачи, скорее всего, будет обозначаться строчной буквой «е» (или строчной буквой «v»), чтобы отметить это значение как имеющееся в один момент времени. Это же соглашение о нижнем регистре справедливо и для тока: строчная буква «i» представляет ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений в цепях постоянного тока, которые стабильны во времени, будут обозначаться заглавными буквами.
Зачем нужно рассчитывать ток
На большинстве электроприборов указывается мощность потребления. Это необходимо для того, чтобы правильно вести учет потребления электроэнергии. Но для всего остального значение мощности несет мало информации. Параметры автоматов защиты и плавких вставок, сечение электропроводки, требуют знать протекающий ток или, как говорят электрики, ампераж нагрузки.
Простой пример: какой паяльник сильнее перегружает электропроводку, 42-х вольтовый на 80 Вт или 220-и вольтовый на 100 Вт? Логичный ответ, что более мощный, является неправильным. Ведь на самом деле, при включении второго паяльника в сети протекает ток около 0.5 А, а при включении первого — почти 2 А. Соответственно, для таких устройств требуется различная электропроводка и номинал защитных устройств. При одинаковой толщине проводов питания нагрев будет сильнее, при работе с низковольтным инструментом.
По этой же причине в линиях электропередач стремятся по максимуму повысить передаваемое напряжение. Поскольку мощность нагрузки остается одинаковой, при более высоком напряжении по проводам протекает меньший ток и поэтому:
- Снижаются потери;
- Уменьшается нагрев;
- Снижается сечение проводов и, как следствие, их масса и нагрузка на опоры линий электропередач.
Высоковольтная опора ЛЭП
Параллельное и последовательное соединение
В электрике элементы соединяются либо последовательно — один за другим, либо параллельно — это когда к одной точке подключены несколько входов, к другой — выходы от тех же элементов.
Закон Ома для параллельного и последовательного соединения
Последовательное соединение
Как работает закон Ома для этих случаев? При последовательном соединении сила тока, протекающая через цепочку элементов, будет одинаковой. Напряжение участка цепи с последовательно подключенными элементами считается как сумма напряжений на каждом участке. Как можно это объяснить? Протекание тока через элемент — это перенос части заряда с одной его части в другую. То есть, это определенная работа. Величина этой работы и есть напряжение. Это физический смысл напряжения. Если с этим понятно, двигаемся дальше.
Последовательное соединение и параметры этого участка цепи
При последовательном соединении приходится переносить заряд по очереди через каждый элемент. И на каждом элементе это определенный «объем» работы. А чтобы найти объем работы на всем участке цепи, надо работу на каждом элементе сложить. Вот и получается, что общее напряжение — это сумма напряжений на каждом из элементов.
Точно так же — при помощи сложения — находится и общее сопротивление участка цепи. Как можно это себе представить? Ток, протекая по цепочке элементов, последовательно преодолевает все сопротивления. Одно за другим. То есть чтобы найти сопротивление, которое он преодолел, надо сопротивления сложить. Примерно так. Математический вывод более сложен, а так понять механизм действия этого закона проще.
Параллельное соединение
Параллельное соединение — это когда начала проводников/элементов сходятся в одной точке, а в другой — соединены их концы. Постараемся объяснить законы, которые справедливы для соединений этого типа. Начнем с тока. Ток какой-то величины подается в точку соединения элементов. Он разделяется, протекая по всем проводникам. Отсюда делаем вывод, что общий ток на участке равен сумме тока на каждом из элементов: I = I1 + I2 + I3.
Теперь относительно напряжения. Если напряжение — это работа по перемещению заряда, тоо работа, которая необходима на перемещение одного заряда будет одинакова на любом элементе. То есть, напряжение на каждом параллельно подключенном элементе будет одинаковым. U = U1=U2=U3. Не так весело и наглядно, как в случае с объяснением закона Ома для участка цепи, но понять можно.
Законы для параллельного соединения
Для сопротивления все несколько сложнее. Давайте введем понятие проводимости. Это характеристика, которая показывает насколько легко или сложно заряду проходить по этому проводнику. Понятно, что чем меньше сопротивление, тем проще току будет проходить. Поэтому проводимость — G — вычисляется как величина обратная сопротивлению. В формуле это выглядит так: G = 1/R.
Для чего мы говорили о проводимости? Потому что общая проводимость участка с параллельным соединением элементов равна сумме проводимости для каждого из участков. G = G1 + G2 + G3 — понять несложно. Насколько легко току будет преодолеть этот узел из параллельных элементов, зависит от проводимости каждого из элементов. Вот и получается, что их надо складывать.
Теперь можем перейти к сопротивлению. Так как проводимость — обратная к сопротивлению величина, можем получить следующую формулу: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3.
Что нам дает параллельное и последовательное соединение?
Теоретические знания — это хорошо, но как их применить на практике? Параллельно и последовательно могут соединяться элементы любого типа. Но мы рассматривали только простейшие формулы, описывающие линейные элементы. Линейные элементы — это сопротивления, которые еще называют «резисторы». Итак, вот как можно использовать полученные знания:
Если в наличии нет резистора большого номинала, но есть несколько более «мелких», нужное сопротивление можно получить соединив последовательно несколько резисторов. Как видите, это полезный прием.
Для продления срока жизни батареек, их можно соединять параллельно. Напряжение при этом, согласно закону Ома, останется прежним (можно убедиться, измерив напряжение мультиметром). А «срок жизни» сдвоенного элемента питания будет значительно больше, нежели у двух элементов, которые сменят друг друга
Только обратите внимание: параллельно соединять можно только источники питания с одинаковым потенциалом. То есть, севшую и новую батарейки соединять нельзя
Если все-таки соединить, та батарейка которая имеет больший заряд, будет стремиться зарядить менее заряженную. В результате общий их заряд упадет до низкого значения.
В общем, это наиболее распространенные варианты использования этих соединений.
Закон Фарадея
Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.
Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:
Рис. 2. Формула закона электромагнитной индукции
И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.
Основные понятия и законы электростатики
Закон Кулона:сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Коэффициент пропорциональности в этом законе
В СИ коэффициент k записывается в виде
Потенциалом электрического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:
Проекция напряжённости электрического поля на какую-нибудь ось и потенциал связаны соотношением
Электроёмкостью тела называют величину отношения
Основные понятия и законы постоянного тока
Электрический ток — направленное движение электрических зарядов. В разных веществах носителями заряда выступают элементарные частицы разного знака. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Количественно электрический ток характеризуют его силой. Это заряд, прошедший за единицу времени через поперечное сечение проводника:
Закон Ома для участка цепи имеет вид:
При параллельном соединении величина, обратная сопротивлению, равна сумме обратных сопротивлений:
где t — время, I — сила тока, U — разность потенциалов, q — прошедший заряд.Закон Джоуля-Ленца:
Основные понятия и законы магнитостатики
Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция ➛B. Поскольку это вектор, то следует определить и направление этого вектора, и его модуль. Направление вектора магнитной индукции связано с ориентирующим действием магнитного поля на магнитную стрелку. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Направление вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с токам можно определить с помощью правила буравчика:если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Модулем вектора магнитной индукции назовём отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током , к произведению силы тока на длину этого участка:
Основные понятия и законы электромагнитной индукции
Если замкнутый проводящий контур пронизывается меняющимся магнитным потоком, то в этом контуре возникает ЭДС и электрический ток. Эту ЭДС называют ЭДС электромагнитной индукции, а ток — индукционным. Явление их возникновения называют электромагнитной индукцией. ЭДС индукции можно подсчитать по основному закону электромагнитной индукции или по закону Фарадея:
Электромагнитные колебания и волны
Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью C и катушки с индуктивностью L (см. рис. 7).
Для свободных незатухающих колебаний в контуре циклическая частота определяется формулой
Период свободных колебаний в контуре определяется формулой Томсона:
Ток, текущий через катушку индуктивности, по фазе отстаёт от напряжения на π/2 или на четверть периода. Напряжение опережает ток на такой же фазовый угол.
Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования переменных токов. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой, а катушка, которая подключается к потребителю, называется вторичной обмоткой. Отношение напряжения на первичной обмотке и вторичной обмотке трансформатора равно отношению числа витков в этих обмотках:
В чем измеряется энергия
В переводе с греческого языка энергия – деятельность, сила, действие. Она является величиной скалярной и измеряет всевозможные виды движения и взаимосвязи материи. Энергия обозначается буквой E. Единицами измерения этой величины служат: в системе СИ – джоуль (Дж), в системе СГС – эрг.
Подсчёт электрической энергии, потребляемой электроприборами, осуществляют счётчики. Они выдают численные показания потребляемой мощности (квт) в квт час.
Связь между силой и энергией
Установлена связь между консервативной силой, которая вызывает потенциальную энергию всех взаимодействующих между собой тел, и этой энергией.
К сведению. Консервативными силами называются такие силы, которые совершают работу по перемещению точки. При этом работа обусловливается крайними положениями этой точки: начальным и конечным.
К консервативным силам относятся следующие силы:
- тяжести;
- упругости;
- кулоновские силы.
Если замкнуть траекторию движения точки под действием консервативных сил, она будет равна нулю.
Проследить связь можно по следующему алгоритму:
</ul>
- Когда в любой точке пространства тело подвержено действию консервативной силы, значит, оно расположено в потенциальном поле.
- Изменение положения тела внутри поля вызывает изменение потенциальной энергии, при котором консервативная сила выполняет работу.
Эта работа может быть выражена математическими действиями. К примеру, перемещение тела произошло в случайном направлении r, отклонившись от начального положения на очень малое расстояние dr. Значит, dA = F*dr*cosα = Fr, dr, где F = F* cosα составляет проекцию силы на направление r.
Есть равенство: dA = – dEп, где Eп – потенциальная энергия. Значит, поставив знак равенства между двумя выражениями, получается:
Fr *dr = – dEп, из которого выражается Fr = – dEп/dr.
Соотношение dEп/dr – это величина, показывающая скорость изменения потенциальной энергии вдоль данного направления, является производной Eп по направлению r.
Внимание! Знак «минус» означает уменьшение потенциальной энергии в направлении dr. Символ частной производной указывает на то, что дифференцирование потенциальной энергии Eп (x, y, z) происходит только с аргументом x при неизменных двух других
Мощность и энергия
Мощностью Р называется работа, производимая в единицу времени. Единица измерения мощности – ватт (Вт). Чтобы узнать, 1 квт сколько вт, нужно помнить, что «кило» это 103. Следовательно, 1 квт = 103 вт, а 10 квт = 104 вт.
Обычно мощность электроприёмников измеряют в киловаттах. Применимо к технике ещё существует измерение мощности в лошадиных силах (л.с.). Одна такая лошадиная сила равна 736 Вт.
Мощность и лошадиные силы
Возможность определённого тела или целой системы выполнять работу характеризуется их энергией. Энергия объединяет в своём понятии все события в природе. Для различных видов движения характерны разные виды энергии.
Совет. Механическая энергия, относящаяся к движению тела, называется кинетической, связанная с взаимоположением тел (частей тела) системы – потенциальной.
Механическая энергия
Калории и джоули
Прежде, чем разбираться, как переводить (конвертировать) калории в джоули и обратно, нужно знать, что означают эти два понятия.
Джоулем называется единица, которой измеряют работу, энергию или количество теплоты. В международной системе СИ джоуль обозначается Дж (J). Работа, производимая силой в один ньютон (1Н) по перемещению точки по направлению приложения силы на один метр (1м), равна одному джоулю (1 Дж).
Калория – величина, отдельно не отражённая в системах измерений, служит для определения количества тепла. Чтобы нагреть 1 г. воды на 1 С0, необходимо потратить энергию, равную 1 калории (кал). При этом 1 кал = 4,1868 Дж.
Связь с другими единицами
Для выражения калорий в джоули и назад можно воспользоваться онлайн-калькулятором.
Интерфейс программы позволяет вводить значения необходимых величин (пользуясь сокращениями кратных значений). Когда под рукой нет интернета, легко осуществить перевод, составив пропорцию. К примеру, необходимо узнать, сколько килокалорий в 100 кДж. Для этого составляют пропорцию:
- 1 кКал = 4,1868 кДж;
- Х = 100 кДж.
Решая пропорцию, получают выражение Х=100*1/4,1868 = 23,9 кКал. Ответ – в 100 кДж заключается 23,9 ккал.
Что такое АС
Перевод аббревиатуры АС с английского обозначает Alternative Current (переменный ток). Соответственно DC, что читается как Direct Current, обозначает постоянное, текущее в одном направлении, напряжение. Каждый из них используется для питания электроприборов и играет ключевую роль в целостности электрооборудования при неправильном подключении.
Переменный ток является формой, повсеместно применяемой потребителями для обеспечения работоспособности основного электрооборудования. Преимущественно стандартная форма волн в электроцепей представлена в виде синусоидальной кривой, с положительным полупериодом равным положительному течению напряжения и наоборот.
В отдельных случаях, например, музыкальные усилители, применяют различные формы волн. Они могут быть треугольными, либо прямоугольными. Аудио и радио сигнал транслируемые по проводам, также относятся к переменному току. Этот тип напряжения несёт зашифрованные информационные данные (звуки или изображения). В отдельных случаях передача может осуществляться за счёт модуляции. Такой ток преимущественно чередуется с высокочастотными, что и отличает их от обычной передачи электроэнергии.
