Постоянный ток и его основные законы

Введение
Строение вещества
Электрические заряды и их взаимодействие
Электрическое поле и его свойства
Характеристики электрического поля
Электрический ток и электропроводность вещества
Виды тока
Электропроводимость
Электрическое сопротивление и проводимость
Элементы электрической цепи
Законы Ома
Режимы работы электрических цепей
Законы Кирхгофа
Способы соединения потребителей электрической энергии
Работа и мощность электрического тока
Содержание презентации
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Введение

- это наука о техническом использовании электрических и электромагнитных явлений.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Относительно не сложное получение электроэнергии с ГЭС, ТЭЦ, АЭС.
Возможность передачи электрической энергии на дальние расстояния.
Несложное распределение между потребителями.
Возможность преобразования электрической энергии в другие виды (механическую, световую, звуковую и др.)
Преимущества электрической энергии по сравнению с другими видами энергий:
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Строение вещества

Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов.
Ядро атома состоит из тяжелых равных по массе положительно заряженных протонов и имеющих нейтральный заряд – нейтронов.
Вокруг ядра по разрешенным орбитам (энергетическим уровням – оболочкам) вращаются легкие (легче протона в 1840 раз) отрицательно заряженные электроны.
Строение вещества
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Атом имеет нейтральный заряд, потому что содержит одинаковое количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов.
Модель атома меди
29
29
K
L
M
N
1
18
8
2
ЯДРО
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Отрицательно заряженные электроны удерживаются возле положительно заряженного ядра атома силами
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИТЯЖЕНИЯ.
Положительные протоны в ядре, за счет очень близкого расположения друг к другу, притягиваются силами
ЯДЕРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В АТОМЕ
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Физическая природа электричества
+2
-1
-1
+2
-1
-1
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ИОН
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ИОН
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Положительный ион – атом который испытывает недостаток электронов;
Отрицательный ион – атом который испытывает избыток электронов;
Ионизация – процесс превращения нейтральных атомов в электрически заряженные частицы – ионы.
Определения
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Электрические заряды и их взаимодействие

Электрические заряды обозначаются Q или q и измеряются в Кулонах (Кл)
Заряд одного электрона очень маленький
В данной формуле найдите две ошибки!
q(e-) = 1,6 * 10 19
q(e-) =-1,6 * 10-19
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Одноименные заряды отталкиваются
Разноименные заряды притягиваются
Закон взаимодействия заряженных частиц
+Q
-Q
+Q
-Q
+Q
- Q
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды.
Закон Кулона
Q1, Q2 - заряды
R – расстояние между
зарядами
εа – абсолютная
диэлектрическая
проницаемость
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Из каких частиц состоит атом?
Каков заряд этих частиц?
Какое количество протонов, электронов и нейтронов в нейтральном атоме?
Дайте определение отрицательного иона.
Дайте определение положительного иона.
Закрепление пройденного материала.
Правильные ответы.
Из протонов, нейтронов и электронов!
Протоны +; Нейтроны 0; электроны -.
Одинаковое!
Атом имеющий избыток электронов.
Атом имеющий недостаток электронов.
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Электрическое поле и его свойства

Это – особый вид материи, который образуется:
1) вокруг электрических зарядов или заряженных тел;
2) при изменении магнитного поля.
Электрическое поле
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Обладает энергией, за счет которой способно перемещать другие электрически заряженные частицы и тела;
Не имеет ни запаха ни цвета.
Свойства электрического поля
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Электрические силовые линии:
Расположены перпендикулярно к поверхности заряженного тела;
Направлены в сторону движения положительного заряда помещенного в это электрическое поле.
Электрическое поле условно обозначается электрическими силовыми линиями
+Q
-Q
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Изображение электрических полей:
1. Вокруг одиночных зарядов
2. Вокруг разноименных зарядов
3. Двух одноименных зарядов
4. Двух параллельных и разноименно заряженных пластин
Данное поле является ОДНОРОДНЫМ
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Характеристики электрического поля

Напряженность электрического поля
Под напряженностью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду q этого тела.
Размерность напряженности в СИ:
[E] = Н / Кл = Дж / (м·Кл) = А·В·с / (м·А·с) = В /м
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Электрический потенциал.
Электрический потенциал в данной точке поля равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из данной точки поля в точку, потенциал которой принят за нуль.
Работа
Заряд
0
+q
+Q
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Электрическое напряжение.
Электрическое напряжение – это разность потенциалов между двумя точками поля. Электрическое напряжение обозначают буквой U (u)
Напряжение численно равно работе, которую могут совершить силы поля при перемещение единицы положительного заряда из одной точки поля в другую
Размерность потенциала и напряжения в СИ: [φ] = [U] = В (Вольт)
Напряженность электрического поля.
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Закрепление пройденного материала
Как расположены и направлены силовые линии электрического поля?
Дайте определение электрического потенциала.
Электрический потенциал в данной точке поля равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из данной точки поля в точку, потенциал которой принят за ноль.
Дайте определение электрического напряжения.
Электрическое напряжение числено равно работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из одной точки поля в другую.
Дайте определение электрической напряженности.
Под напряженностью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду.q этого тела.
.
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Электрический ток и электропроводность вещества

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц материи (электронов, ионов) под действием электрического поля.
Определение электрического тока
вопросник
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Сила тока обозначается I i
За единицу силы тока принят
1 АМПЕР (А)
Это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 Кл (Кулон) количества электричества.
Единица силы тока
вопросник
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Виды тока

Постоянный ток – такой ток значение и направление которого в любой момент времени остается неизменным.
Обозначается одной или двумя чертами (–, =) или буквами DC (ди-си)
1. Постоянный ток
вопросник
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Переменный ток - с течением времени изменяется и по величине и по направлению с определенной частотой.
Обозначается символом синусоиды ~ или буквами АС (эй-си)
2. Переменный ток
вопросник
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Пульсирующий ток – с течением времени изменяется только по величине.
3. Пульсирующий ток
вопросник
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Импульсный ток – сочетание коротких импульсов тока
4. Импульсный ток
вопросник
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Дайте определение электрического тока.
В каких единицах измеряется сила тока?
Дайте определение постоянного тока.
Дайте определение переменного тока.
ответ
ответ
ответ
ответ
Дайте определение пульсирующего тока.
ответ
Дайте определение импульсного тока.
ответ
Закрепление пройденного материала
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Электропроводимость

Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля.
Определение
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

а. ПРОВОДНИКИ
б. ДИЭЛЕКТРИКИ (изолирующие материалы)
в. ПОЛУПРОВОДНИКИ
В зависимости от электропроводимости все вещества делятся
на 3 группы:
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Проводники – материалы, имеющие свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого электрического поля
<10-5 Ом*м.
Диэлектрики – материалы, практически не проводящие электрический ток
>108 Ом*м.
Полупроводник – материалы, удельное сопротивление которых варьируется в пределах
10-5 Ом*м < < 108 Ом*м.
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Проводники различаются физической природой протекания электрического тока. Различают 3 рода проводников:
1-ый род МЕТАЛЛЫ
– проводники с электронной проводимостью;
2-ой род ЭЛЕКТРОЛИТЫ
– проводники с ионной проводимостью;
3-ий род ГАЗЫ, ПАРЫ
– проводники со смешенной проводимостью.
ПРОВОДНИКИ
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.
ДИЭЛЕКТРИКИ
Различают 2 вида диэлектриков:
ПОЛЯРНЫЕ – молекулы у которых центры «+» и «–» зарядов не совпадают (спирты и вода)
НЕПОЛЯРНЫЕ – атомы и молекулы у которых центры «+» и «–» зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен)
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Дайте определение электропроводности.
Перечислите, три группы веществ по электропроводности.
Перечислите, три рода проводников по проводимости.
Перечислите виды диэлектриков. Дайте определение чем они отличаются.
Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля.
Три группы веществ по электропроводности:
– проводники;
– диэлектрики;
– полупроводники.
Три рода проводников:
– Металлы (электронная проводимость);
– Электролиты (ионная проводимость);
– Газы, пары (смешанная проводимость).
Диэлектрики:
– полярные (центр «+» и «–» не совпадают);
– не полярные (центр «+» и «–» совпадают).
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.
Закрепление пройденного материала

Электрическое сопротивление и проводимость

Сопротивление обозначают R, r.
За единицу сопротивления принимают 1Ом
таким сопротивлением обладает проводник, по которому проходит ток в 1А при разности потенциалов на его концах (напряжении) 1 В.
Эталон сопротивления 1Ом – столбик ртути длиной - 106,3см, сечением S=1мм2; при температуре t=00С.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Проводимость – способность проводить электрический ток.
Величина обратная сопротивлению.
Обозначается G=1/R
Измеряется в Симменсах (См)
1См=1/1Ом
ПРОВОДИМОСТЬ
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Удельное электрическое сопротивление
– сопротивление куба с ребром в 1метр.
Обозначается (ро)
=1Ом*м (в справочниках Ом*мм2/м)
Удельная электрическая проводимость
– проводимость куба с ребром в 1метр.
Обозначается σ (сигма)
σ =1/ (1/Ом*м)
Удельное электрическое сопротивление и проводимость
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Сопротивление проводника зависит:
От материала проводника. Характеризуется удельным сопротивлением ρ (ро). Удельное сопротивление - это сопротивление проводника длиной 1 метр, площадью сечения 1 мм2 при t =20ºс.
Указывается в справочниках, измеряется Ом × мм2/м
От длины проводника l, [м] – прямо пропорционально;
От площади сечения S, [мм2] - обратно пропорционально;
Т.е. R = ρ * l / S
От температуры t, [ºC] – обычно, чем выше температура проводника, тем больше его сопротивление, за исключением некоторых сплавов, графита и пр.
Rt =R0*(1+α*(t-t0)), где R0 – сопротивление проводника при начальной температуре t0=+200С
α – температурный коэффициент сопротивления, по которому судят о степени изменения сопротивления проводника при изменении температуры - (t-t0).
Сопротивление проводника
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

ЭДС – обозначается – Е (В) [Вольт].
ЭДС численно равна работе сторонних сил по перемещению единицы положительного заряда внутри источника электрической энергии против сил электрического поля.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА
E
U
R
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
E
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Числено равно работе сил электрического поля по перемещению единицы положительного заряда из одной точки электрического поля в другую во внешней цепи.
ЭДС и Напряжение измеряются в В [Вольтах].
НАПРЯЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Закрепление пройденного материала
Как обозначается и в каких единицах измеряется электрическое сопротивление?
Электрическое сопротивление обозначается – R и r;
измеряется – в Ом(ах).
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.
Как обозначается и в каких единицах измеряется электрическая проводимость?
Электрическая проводимость обозначается – G и g;
измеряется – в Cм(ах).
Как относится электрическое сопротивление к электрической проводимости?
Электрическая проводимость является обратной величиной электрического сопротивления.
R=1/G
Дайте определение удельного электрического сопротивления.
Удельное электрическое сопротивление
– сопротивление куба с ребром в 1метр.
Обозначается (ро)
=1Ом*м (в справочниках Ом*мм2/м)
Дайте определение удельной электрической проводимости.
Удельная электрическая проводимость
– проводимость куба с ребром в 1метр.
Обозначается σ (сигма)
σ = (1/Ом*м)

Элементы электрической цепи

Электрическая цепь состоит из:
Источника тока
Потребителя
Выключателя
Измерительных приборов
Защитных аппаратов
Соединительных проводов
А
V
V
А
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Законы Ома

Если взять какое-то сопротивление R
и приложить к нему какое-то напряжение U,
то через это сопротивление пройдёт электрический ток I определенной величины.
Пояснение к закону Ома
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Закон Ома для участка цепи
Сила тока I
прямо пропорциональна напряжению U
и обратно пропорциональна сопротивлению R
U
I = ----
R
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Закон Ома для полной цепи
Сила тока прямо
пропорциональна ЭДС источника электрической энергии
и обратно пропорциональна ПОЛНОМУ сопротивлению цепи
Внешняя цепь
Источник электрической энергии
Е
I = --------
(R+Ro)
R - сопротивление внешней цепи
Ro - Внутреннее сопротивление источника тока
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Е=I*(R+R0)= I*R+I*R0=U+I*R0;
т.е. U = Е - I*R0;
Из данных выражений видно, что напряжение меньше электродвижущей силы на величину I*R0.
Как различаются ЭДС и напряжение?
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Режимы работы электрических цепей

I=0
Е=U (т.к. I*R0 =0)
Режим холостого хода.
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

I ≠ 0
Е=U + I*R0
РЕЖИМ НАГРУЗКИ
(рабочий режим)
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

R≈0
U≈0
Е= I*R0 =>
Iкз = Е/R0
(R0 – очень маленькая
величина)
Поэтому величина
тока короткого замыкания
будет очень большой
величиной.
РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Законы Кирхгофа

Сумма токов входящих в узел равна сумме токов исходящих из узла.
Алгебраическая сумма токов входящих и исходящих равна нулю.
∑I=I1+I2+I3-I4-I5=0
1-ый закон Кирхгофа
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Сумма источников ЭДС замкнутой электрической цепи равна Сумме падений напряжений на отдельных участках этой цепи.
∑E = ∑IR
2-ой закон Кирхгофа
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Способы соединения потребителей
электрической энергии

Iобщ = I1 = I2 = I3 = Iист.;
Uобщ = U1 + U2 + U3;
Rобщ = R1+ R2 +R3;
Последовательное соединение
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Uобщ = U1 = U2 = U3;
Iобщ = I1 + I2 + I3;
Gобщ = G1+G2+G3;
т.е. 1/Rобщ = 1/R1+ 1/R2 +1/R3;
Rобщ = (R1*R2*R3)/(R2*R3 +R1*R3+ R1*R2)
Параллельное соединение
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

А – В - питающая диагональ
С – D - измерительная диагональ.
Смешанное соединение (мостовая схема)
A
B
C
D
R1
R2
R3
R4
Мост у которого падение напряжений на плечах моста равна нулю и потенциалы точек С и D равны, т.е. ток через измерительную диагональ не идет, называется Уравновешенным мостом.
Уравновешенным мост будет при соблюдении следующих равенств:
R1=R2=R3=R4;
R1=R3 и R2=R4;
R1/R3 = R2/R4;
R1*R4 = R2*R3;
Е
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Работа и мощность
электрического тока

это энергия, которая выделяется при прохождении тока по проводнику.
W=U*I*t [Вт*сек]
1Дж=1Вт*с => кВтч = 3,6*106Дж
Работа тока
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Это работа (энергия), выделенная за единицу времени.
P=W/t
P=U*I Вт (ватт)
Мощность
Мощность любой электрической машины определяет:
Способность преодолевать механическую нагрузку на валу;
Расход электроэнергии;
Силу тока в цепи.
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

КПД – отношение мощности отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности.
Обозначается η(этта),измеряется в %.
η= Р2/Р1; Р1= Р2+ΔР => Р2/(Р2+ΔР)<1;
Р1 - мощность получаемая;
Р2 - мощность отдаваемая;
ΔР - потеря мощности.
Потеря энергии и КПД
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

законом Джоуля – Ленца.
Q = I ² · R · t , [Дж] (Джоуль).
Прим. 1 Дж = 1 Вт · сек,
1л.с .(лошадиная сила)≈760Вт
Тепловое действие тока
Плотность тока
δ (дельта) = I/S [А/мм2]
В зависимости от материала проводника, класса изоляции, типа проводника и условий охлаждения определяют номинальную и допустимую (предельную) плотность тока, превышение которой может повредить изоляцию.
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.

Это повышенное сопротивление контактов из–за их подгара, малой площади контакта, силы нажатия, окисления и т.п. Из-за недостаточной эффективной площади контакта увеличивается плотность тока и происходит переброс тока по воздуху в виде искрения. Нагрев контактов ускоряет процесс окисления, качество контакта еще более ухудшается.
Переходное сопротивление
Способы уменьшения переходного сопротивления:
контакты зачищают,
контакты облуживают,
вставляют в наконечники,
соединяют клеммами,
спаивают,
выполняют посеребрение контактных поверхностей.
Преподаватель Пермского подразделения СвУЦПК Чербунин А.Г. 2014 г.