Elektrický proud a jeho vlastnosti

Co všechno kolem nás funguje? Telefon, televize, tablet, notebook, dokonce i žárovka. To vše by se samozřejmě nestalo bez elektrického proudu. Ale ne obyčejný, totiž střídavý elektrický proud.

Střídavý elektrický proud

Elektrický proud je generován proudem nabitých částic, které se pohybují dráty.

Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic.

Tento pohyb se může měnit – zrychlovat, zpomalovat, dokonce měnit směr. Pokud se toto vše provádí s určitou frekvencí, bude se to nazývat proměnná.

Nyní trochu formálně:

Střídavý proud – jedná se o vynucené elektromagnetické kmity způsobené v elektrickém obvodu zdrojem střídavého napětí.

Definice střídavého proudu se týká zdroje střídavého napětí. Je to on, kdo způsobuje, že se proud chová tak neobvykle. Vezměme zdroj, jehož svorkové napětí se mění podle zákona:

Tento zdroj napětí se nazývá sinusový a zde můžeme mluvit o napětí. Volá se hodnota napětí U(t) v čase t okamžitá hodnota napětí.

Rezistor v obvodu střídavého proudu

Vezměme si nejjednodušší obvod střídavého proudu. Pro jeho získání ke zdroji střídavého napětí U = Usin(wt) připojíme běžný rezistor R.

Protože proud může téci různými směry, je nutné určit kladný a záporný směr. Fyzici se shodli, že pozitivní směr si můžete zvolit sami, a pokud proud poteče podle něj, pak bude pozitivní.

Vzorec podobný Ohmovu zákonu byl experimentálně odvozen:

Z toho vyplývá, že proudová síla v rezistoru se také mění podle sinusového zákona I = I0sinwt. Volá se aktuální hodnota v daném čase okamžitá hodnota proudu.

Připomeňme, že podle definice (I = frac) je [A].

Ze dvou výše uvedených vzorců vyplývá, že (I_0 = frac) .

Vezmeme-li v úvahu dostupné vzorce, můžeme vykreslit grafy proudu a napětí na rezistoru v závislosti na čase.

Na grafu, kde červená čára označuje proud a modrá čára napětí, můžete vidět, že proud rezistorem a napětí na něm se mění synchronně, to znamená, že jejich maxima a minima se shodují. Vědecky řečeno, proud a napětí se mění ve fázi.

Střídavý proud

Proud nese energii a také střídavý proud, takže otázce výkonu se nelze vyhnout.

Nechť U a I jsou okamžité hodnoty napětí a proudu v uvažovaném úseku obvodu. Vezměme si velmi krátký časový interval Δt, tak malý, že se proud během této doby nestihne změnit. V tomto případě lze hodnoty U a I považovat za konstantní. Potom během doby Δt stihne náboj Δq = IΔt projít naším řezem.

V důsledku toho elektrické pole vykoná práci ΔA = UΔq = UIΔt a aktuální výkon P je poměr práce k době, během které byla tato práce vykonána:

(P = frac = UI) – tato veličina se také nazývá okamžitá síla.

Vzhledem k tomu, že času bylo velmi málo a můžeme říci, že vše proběhlo okamžitě.

Proud procházející rezistorem

Nechť střídavý proud I = Isin(wt) se pohybuje přes odpor s odporem R.

Napětí na rezistoru, jak víme, kmitá ve fázi s proudem: U = IR = IRsin(ωt) = Usin(ωt).

Pro okamžitý výkon tedy získáme:
P=UI=UIsin 2 (ωt).

Ze vzorců vidíme, že síla je neustále kladná.

Maximální výkon snadno zjistíme tím, že vezmeme maximální U a já:
P =UI

V praxi nás zpravidla nezajímá maximum, ale průměrný výkon.

Vezměme si třeba obyčejnou žárovku, která nám doma hoří. Protéká jím proud o frekvenci 50 Hz, to znamená, že za sekundu dochází k 50 výkyvům proudu a napětí. Je jasné, že za docela dlouhou dobu se z žárovky uvolní určitý průměrný výkon. Jaký je tento průměrný výkon? Intuitivně se zdá, že průměrný výkon spadá mezi maximální a minimální hodnoty výkonu a nabývá hodnoty P / 2. A skutečně, pocity nás nezklamou.

Ukazuje se, že průměrná hodnota (bar) aktuálního výkonu na rezistoru je:

A tady vstupují do hry. efektivní (nebo efektivní) hodnoty napětí a proudu:

Právě tyto vzorce určují průměrné hodnoty napětí a proudu. Nyní můžeme vyjádřit napětí pomocí těchto vzorců a dostat (bar = bar bar).

(bar, bar) – efektivní napětí a efektivní proud.

To se ukazuje jako zajímavý fakt. Připojíme-li žárovku na konstantní napětí U, a poté na zdroj střídavého napětí se stejnou efektivní hodnotou U, bude žárovka svítit stejným jasem. Těch stejných dobře známých 220 voltů ze zásuvky je přesně efektivní napětí.

Neméně zajímavé je, že téměř všechna zařízení měří efektivní hodnoty proudu. Takže až příště uvidíte hodnotu na voltmetru, vzpomeňte si, co to je. efektivní napětí.

Kontrola faktů

• Střídavý proud – jedná se o vynucené elektromagnetické kmity způsobené v elektrickém obvodu zdrojem střídavého napětí.
• Efektivní výkon se rovná polovině okamžitého výkonu, jehož prostřednictvím můžete najít efektivní proud и efektivní napětí (sloupec = frak, sloupec = frak , bar = frak ).
• Proud a napětí rezistorem se mění ve fázi.
• Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic.

Otestujte se

1 úloha.
Jaká je efektivní síla?

1. (bar = frac)
2. (bar = frak )
3. (bar = P_0 sin (hmotn.))
4. (bar = 2P_0)

2 úloha.
Co vidíme na ampérmetru a voltmetru?

1. efektivní hodnoty
2. okamžité hodnoty

3 úloha.
Vyberte správná tvrzení:

1. Amplituda proudu je vždy větší než amplituda napětí.
2. Amplituda napětí je vždy větší než amplituda proudu.
3. Efektivní proud je: (bar = frac>).
4. Proud přes odpor a napětí se ve fázi nemění.

Odpovědi: 1. – šestnáct; 2. – šestnáct; 3. – 2, 3.

elektrický šok nazývaný uspořádaný pohyb nabitých částic nebo nabitá makroskopická tělesa. Existují dva typy elektrických proudů – vodivé proudy a konvekční proudy.

Vodivý proud nazývá se uspořádaný pohyb volných nabitých částic v hmotě nebo vakuu – vodivé elektrony (v kovech), kladné a záporné ionty (v elektrolytech), elektrony a kladné ionty (v plynech), vodivostní elektrony a díry (v polovodičích), elektronové paprsky ( ve vakuu). Tento proud je způsoben tím, že se volné elektrické náboje pohybují ve vodiči vlivem intenzity použitého elektrického pole (obr. 2.1, Obr. а).
Konvekční elektrický proud nazývaný proud způsobený pohybem nabitého makroskopického tělesa v prostoru (obr. 2.1, б).
Pro vznik a udržení elektrického vodivého proudu jsou nutné následující podmínky:
1) přítomnost volných proudových nosičů (bezplatné poplatky);
2) přítomnost elektrického pole, které vytváří uspořádaný pohyb volných nábojů;
3) kromě Coulombových sil musí působit i bezplatné poplatky vnější síly neelektrické povahy; tyto síly jsou vytvářeny různými aktuální zdroje (galvanické články, baterie, elektrické generátory atd.);
4) obvod elektrického proudu musí být uzavřen.
Směr elektrického proudu je konvenčně považován za směr pohybu kladných nábojů, které tvoří tento proud.
Kvantitativní měřítko elektrický proud je proud I – skalární fyzikální veličina určená elektrickým nábojem procházejícím průřezem S vodič za jednotku času:

Proud, jehož síla a směr se v průběhu času nemění, se nazývá trvalý (obr. 2.2, а). Pro DC

Elektrický proud, který se v čase mění, se nazývá proměnné. Příkladem takového proudu je sinusový elektrický proud používaný v elektrotechnice a energetice (obr. 2.2, б).
Jednotka proudu – ампер (A). V SI je definice jednotky proudu formulována takto: 1 А – to je síla takového stejnosměrného proudu, který při průchodu dvěma rovnoběžnými přímými vodiči nekonečné délky a zanedbatelně malého průřezu, umístěnými ve vakuu na dálku 1 m jeden od druhého vytváří mezi těmito vodiči sílu rovnající se každému metru délky.
Pro charakterizaci směru elektrického vodivého proudu v různých bodech na povrchu vodiče a rozložení síly proudu na tomto povrchu je zavedena proudová hustota.
Hustota proudu nazývá se vektorová fyzikální veličina, která se shoduje se směrem proudu v uvažovaném bodě a je číselně rovna poměru síly proudu dI procházející elementární plochou kolmou ke směru proudu do oblasti této plochy:

Jednotka proudové hustoty – ampér na metr čtvereční (A/m 2 ).
Hustota stejnosměrného elektrického proudu je v celém průřezu homogenního vodiče stejná. Proto pro stejnosměrný proud v homogenním vodiči s plochou průřezu S proud se rovná

Jestliže v obvodu působí na nosiče proudu pouze síly elektrostatického pole, pak se náboje pohybují z bodů s vysokým potenciálem do bodů s potenciálem nižším. To vede k vyrovnání potenciálu ve všech bodech obvodu a ke ztrátě proudu. Pro udržení konstantního elektrického proudu v obvodu je proto nutné mít zařízení schopné vytvářet a udržovat potenciální rozdíl v důsledku práce některých vnějších sil. Taková zařízení se nazývají aktuální zdroje.
Vlivem vnějších sil se nositelé proudu pohybují uvnitř zdroje elektrické energie proti silám elektrostatického pole (proti Coulombovým silám, které způsobují spojení nepodobných nábojů, a tedy vyrovnání potenciálů a zánik proudu), takže na koncích vnějšího obvodu je udržován konstantní rozdíl potenciálů a obvodem protéká konstantní elektrický proud.
Vnější síly působí na pohyb elektrických nábojů. Fyzikální veličina určená prací vnějších sil při pohybu jednoho kladného náboje se nazývá elektromotorická síla (EMF) zdroje:
(2.3)
EMF jednotka – volt (PROTI).
Vnější sílu působící na náboj lze vyjádřit pomocí intenzity pole vnějších sil

Potom bude práce vnějších sil pro pohyb náboje v uzavřené části obvodu rovna:

Vydělením (2.4) a zohledněním (2.3) získáme výraz pro emf působící v obvodu: