Электрический ток и электродвижущая сила

Электрическим током называется явление движения заряженных частиц (зарядов)

в электрической цепи под действием электродвижущей силы.

Рассмотрим последовательно три понятия, упомянутые выше:

1. заряженная частица;

2. электродвижущая сила;

3. электрическая цепь.

Заряженная частица

В настоящее время в атомной физике открыты десятки заряженных частиц, например, электроны, протоны и т.п.

В электрических цепях ток обусловлен движением только двух видов заряженных частиц:

1. электронов;

2. ионов.

Электрон (от греч. ēlectron – янтарь) – это элементарная отрицательно заряженная электрическая частица. Параметры электрона такие: масса , электрический заряд (кулона).

Электроны обеспечивают протекание электрического тока в проводниках и полупроводниках.

Ион (от греч. iōn – идущий) – положительно или отрицательно заряженная частица, которая образуется вследствие потери или присоединения нейтральным атомом одного или нескольких электронов.

Ионы обеспечивают протекание электрического тока в жидкостях и газах, например, в электролитах аккумуляторов и в газоразрядных (люминисцентных) светильниках.

Знак заряда иона положительный, если нейтральный атом потерял один или несколько электронов, и отрицательный, если этот атом присоединил упомянутый электрон (электроны).

При этом заряды одного знака отталкиваются, разных знаков – притягиваются.

Единица измерения силы тока (допускается – тока) – ампер.

Сокращенное обозначение этой единицы на русском языке – А, международное, на английском – А.

Для измерения тока используют и другие единицы: 1 мА (миллиампер) = 10^-3 А;

1 кА (килоампер) = 10³ А, и др.

На судовых ГРЩ постоянного и переменного тока для измерения тока используют килоамперметры.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила (ЭДС Е) – физическая величина, перемещающая электрические заряды внутри источника самой ЭДС под действием сторонних сил.

Такими сторонними силами являются:

1. в химических источниках эдс (аккумуляторах) – химические (кулоновские) силы притяжения или отталкивания ионов разных знаков;

2. во вращающихся генераторах постоянного или переменного тока – электромагнитные силы (силы Лоренца), действующие на электроны в движущемся проводнике со стороны магнитного поля, и т. д.

Любая ЭДС имеет два параметра: значение (в вольтах) и направление.

Единица измерения ЭДС – вольт.

Сокращенное обозначение этой единицы на русском языке – В, международное, на английском – V.

Для измерения ЭДС используют и другие единицы: 1 мВ (милливольт) = 10^-3 В;

1 кВ (киловольт) = 10³ В.

Значение ЭДС зависит от типа источника.

Например, ЭДС в приемной антенне транзисторного приемника составляет милливольты – десятки милливольт, а эдс трансформаторов высоковольтных линий электропередачи – сотни тысяч вольт.

Для расчета значения ЭДС используются соответствующие формулы.

Например, ЭДС одной банки кислотных аккумуляторов (В) рассчитывается так

Е = 0,84 + d, (6.1)

где d: плотность электролита, г/см³.

Обычно плотность электролита d = 1,24…1,28 г/см³ (меньшие значения относятся к жаркому климату, т.к. при испарении воды плотность повышается до стандартного значения 1,27…1,28 г/см³⁾.

С учетом сказанного, ЭДС одной банки

Е = 0,84 + d = 0,84 + (1,24…1,28) = 2,08…2,12 ≈ 2,1 В.

Другой пример.

ЭДС одной фазной обмотки 3-фазного судового синхронного генератора (В)

Е = 4,44 f w Ф k_об, (6.2)

где 4,44 – расчетный конструктивный коэффициент, величина постоянная;

f = 50 Гц – стандартное значение промышленной частоты переменного тока (в США – 60 Гц);

w – число витков фазной обмотки;

k_об = 0,92…0,96 – обмоточный коэффициент, учитывающий особенности выполнения обмотки;

Ф – магнитный поток обмотки возбуждения, Вб.

Если принять w = 262, k_об = 0,96, Ф = 0,042 Вб, то фазная ЭДС

Е = 4,44 f w Ф k_об = 4,44*50*262*0,0042 = 230 В.

Таким образом, для расчета ЭДС в разных электротехнических устройствах применятся разные формулы.

Для определения направления ЭДС служит такое правило:

ЭДС внутри источника направлена от отрицательного полюса источника к положительному. Направление ЭДС обозначается стрелкой (рис. 6.1).

а) б)

Рис. 6.1. Условное изображение ЭДС: а – в общем случае; б – в аккумуляторе или ином электрохимическом элементе (например, батарейке)

 

Электрическая цепь

Электрической называется цепь, состоящая из источника ЭДС Е, приемника электроэнергии (потребителя) и линии электропередачи (проводов), соединяющих источник ЭДС и приемник электроэнергии) рис. 6.2).

Рис. 6.2. Электрическая цепь: Е – источник ЭДС; – внутреннее сопротивление источника эдс; электрический ток в цепи; сопротивление приемника электроэнергии; – напряжение на зажимах источника ЭДС.

По степени сложности электрические цепи делят на два вида: простые и сложные.

Простой называют электрическую цепь с одним источником ЭДС (рис. 6.2).

Сложной называют электрическую цепь с несколькими источниками ЭДС, находящимися в разных ветвях (рис. 6.12).

В замкнутой электрической цепи (рис. 6.2) под действием источника ЭДС Е протекает электрический ток .

Так же, как и ЭДС, ток имеет направление и значение (в амперах).

На электрических схемах направление протекания тока обозначено стрелкой.

Различают два направления тока:

1. техническое.

2. физическое;

На рис. 6.2 показано техническое направление тока, когда ток движется от положительного полюса источника ЭДС через приемник электроэнергии к отрицательному, т. е. по часовой стрелке.

Таким образом, техническое направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Эти заряды отталкиваются положительным полюсом источника эдс и притягиваются отрицательным.

На самом же деле в проводниках движутся не положительные, а отрицательные заряды – электроны, т.е. в направлении против часовой стрелки.

Такое направление тока называется физическим.

Исторически сложилось так, что на электрических схемах показывают техническое, а не физическое, направление тока. Это объясняется тем, что до открытия электрона (в 1897 г. лордом Томсоном) считалось, что ток обусловлен движением положительных зарядов.

Томсон (Thomson) Джозеф Джон (1856-1940), выдающийся английский ученый-физик. Исследовал прохождение электрического тока через разреженные газы. Открыл (1897) электрон и определил (1898) его заряд. Предложил (1903) одну из первых моделей атомов (наподобие солнечной системы). Один из создателей электронной теории металлов.

Следует обратить внимание, что внутри источника ЭДС направление тока совпадает с направлением эдс – ток направлен от отрицательного полюса источника к положительному, т. е. так же, как и ЭДС.

Значение (величину) тока находят, используя разные формулы, в основном, формулу закона Ома (см. ниже).

Приведем одну такую формулу, которая, помимо определения значения тока (в амперах), позволяет понять физическую сущность электрического тока:

, (6.3)

где q – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, Кл (кулон);

t – время прохождения заряда через поперечное сечение проводника, с (секунда).

Таким образом, из (1.1) следует, что электрический ток равен скорости прохождения заряда через поперечное сечение проводника.

Иначе говоря, чем бóльший электрический заряд проходит через проводник в единицу времени (например, секунду), тем ток больше, и наоборот.

Сказанное подтвердим такими двумя примерами.