Strom und Spannung. Typen und Regeln

Bedingungen für das Auftreten von Strom

Die moderne Wissenschaft hat Theorien entwickelt, die natürliche Prozesse erklären. Viele Prozesse basieren auf einem der Modelle der Struktur des Atoms, dem sogenannten planetarisches Modell. Nach diesem Modell besteht ein Atom aus einem positiv geladenen Kern und einer den Kern umgebenden negativ geladenen Elektronenwolke. Unterschiedliche Substanzen, die aus Atomen bestehen, sind unter unveränderten Bedingungen meist stabil und in ihren Eigenschaften unverändert. Umfeld. Aber in der Natur gibt es Prozesse, die den stabilen Zustand von Substanzen verändern und in diesen Substanzen ein Phänomen namens elektrischer Strom hervorrufen können.

Ein solcher Grundprozess für die Natur ist die Reibung. Viele Menschen wissen, dass es einen Klebeeffekt gibt, wenn Sie Ihre Haare mit einem Kamm aus bestimmten Kunststoffarten kämmen oder Kleidung aus bestimmten Stoffarten tragen. Haare werden vom Kamm angezogen und haften daran, und dasselbe passiert mit Kleidung. Dieser Effekt wird durch Reibung erklärt, die die Stabilität des Materials des Kamms oder Gewebes verletzt. Die Elektronenwolke kann sich relativ zum Kern bewegen oder teilweise kollabieren. Dadurch erhält die Substanz eine elektrische Ladung, deren Vorzeichen durch die Struktur dieser Substanz bestimmt wird. Die durch Reibung entstehende elektrische Ladung wird als Elektrostatik bezeichnet.

Es stellt sich ein Paar geladener Substanzen heraus. Jeder Stoff hat ein bestimmtes elektrisches Potential. Auf den Raum zwischen zwei geladenen Stoffen wirkt ein elektrisches Feld, in diesem Fall ein elektrostatisches Feld. Die Wirksamkeit eines elektrostatischen Feldes hängt von der Größe der Potentiale ab und wird als Potentialdifferenz oder Spannung definiert.

• Wenn eine Spannung entsteht, erscheint im Raum zwischen den Potentialen eine gerichtete Bewegung geladener Stoffteilchen - ein elektrischer Strom.

Wo fließt elektrischer Strom?

In diesem Fall nehmen die Potentiale ab, wenn die Reibung aufhört. Und am Ende werden die Potentiale verschwinden und die Substanzen werden wieder stabil.

Wenn aber der Prozess der Bildung von Potentialen und Spannungen in Richtung ihrer Zunahme fortgesetzt wird, wird auch der Strom entsprechend den Eigenschaften der Substanzen zunehmen, die den Raum zwischen den Potentialen füllen. Die meisten Demonstration ein solcher Vorgang ist ein Blitz. Die Reibung der aufsteigenden und absteigenden Luftströmungen aneinander führt zum Auftreten einer enormen Spannung. Infolgedessen wird ein Potential durch Aufwinde am Himmel und das andere durch Abwinde in der Erde gebildet. Und am Ende entsteht aufgrund der Eigenschaften der Luft ein elektrischer Strom in Form von Blitzen.

• Der erste Grund für das Erscheinen elektrischer Strom ist die Spannung.
• Der zweite Grund für das Auftreten eines elektrischen Stroms ist der Raum, in dem die Spannung wirkt - seine Abmessungen und seine Füllung.

Spannung kommt von mehr als nur Reibung. Auch andere physikalische und chemische Prozesse, die das Gleichgewicht der Materieatome stören, führen zum Auftreten von Stress. Spannung entsteht auch nur durch Interaktion

• eine Substanz mit einer anderen Substanz;
• eine oder mehrere Substanzen mit einem Feld oder einer Strahlung.

Stress kann entstehen durch:

• eine chemische Reaktion, die in Materie stattfindet, wie in allen Batterien und Akkumulatoren, sowie in allen Lebewesen;
• elektromagnetische Strahlung, wie z Solarplatten und Wärmekraftgeneratoren;
• elektromagnetisches Feld, wie z. B. in allen Dynamos.

Der elektrische Strom hat eine Natur, die der Substanz entspricht, in der er fließt. Daher unterscheidet es sich:

• in Metallen;

• in Flüssigkeiten und Gasen;

• bei Halbleitern

In Metallen besteht elektrischer Strom nur aus Elektronen, in Flüssigkeiten und Gasen - aus Ionen, in Halbleitern - aus Elektronen und "Löchern".

Gleich- und Wechselstrom

Die Spannung relativ zu ihren Potentialen, deren Vorzeichen unverändert bleiben, kann sich nur in der Größe ändern.

• In diesem Fall tritt ein konstanter oder gepulster elektrischer Strom auf.

Der elektrische Strom hängt von der Dauer dieser Änderung und den Eigenschaften des mit Materie gefüllten Raums zwischen den Potentialen ab.

• Ändern sich aber die Vorzeichen der Potentiale und dies führt zu einer Richtungsänderung des Stroms, so heißt er variabel, wie die ihn bestimmende Spannung.

Leben und elektrischer Strom

Für quantitative und qualitative Schätzungen des elektrischen Stroms in moderne Wissenschaft und Technologie verwendet bestimmte Gesetze und Größen. Die wichtigsten Gesetze sind:

• Coulomb-Gesetz;
• Ohm'sches Gesetz.

Charles Coulomb bestimmte in den 80er Jahren des 18. Jahrhunderts das Auftreten von Spannung, und Georg Ohm bestimmte in den 20er Jahren des 19. Jahrhunderts das Auftreten von elektrischem Strom.

In der Natur und der menschlichen Zivilisation wird es hauptsächlich als Energie- und Informationsträger verwendet, und das Thema seiner Erforschung und Verwendung ist so umfangreich wie das Leben selbst. Studien haben beispielsweise gezeigt, dass alle lebenden Organismen leben, weil sich die Herzmuskeln durch die Wirkung von im Körper erzeugten elektrischen Stromimpulsen zusammenziehen. Alle anderen Muskeln arbeiten auf die gleiche Weise. Beim Teilen verwendet eine Zelle Informationen, die auf einem elektrischen Strom mit extrem hohen Frequenzen basieren. Die Liste ähnlicher Tatsachen mit Erläuterungen kann im Band des Buches fortgesetzt werden.

Im Zusammenhang mit elektrischem Strom wurden bereits viele Entdeckungen gemacht, und es bleibt noch viel zu tun. Daher erscheinen mit dem Aufkommen neuer Forschungsinstrumente neue Gesetze, Materialien und andere Ergebnisse für die praktische Nutzung dieses Phänomens.

Elektrischer Strom

Zunächst einmal lohnt es sich herauszufinden, was einen elektrischen Strom ausmacht. Elektrischer Strom ist die geordnete Bewegung geladener Teilchen in einem Leiter. Damit es auftritt, müssen Sie zuerst erstellen elektrisches Feld, unter deren Einwirkung die oben erwähnten geladenen Teilchen in Bewegung geraten.

Die ersten Informationen über Elektrizität, die vor vielen Jahrhunderten auftauchten, bezogen sich auf elektrische "Ladungen", die durch Reibung erhalten wurden. Schon in der Antike wussten die Menschen, dass Bernstein, auf Wolle getragen, die Fähigkeit erlangt, leichte Gegenstände anzuziehen. Aber nur drin spätes XVI Jahrhundert Englischer Arzt Gilbert hat dieses Phänomen eingehend untersucht und festgestellt, dass viele andere Substanzen genau die gleichen Eigenschaften haben. Körper, die wie Bernstein in der Lage sind, nach dem Reiben leichte Objekte anzuziehen, nannte er elektrisiert. Dieses Wort leitet sich vom griechischen Elektron "Bernstein" ab. Gegenwärtig sagen wir, dass es in diesem Zustand elektrische Ladungen auf Körpern gibt, und die Körper selbst werden „geladen“ genannt.

Elektrische Ladungen entstehen immer dann, wenn verschiedene Stoffe in engen Kontakt kommen. Wenn die Körper fest sind, wird ihr enger Kontakt durch mikroskopisch kleine Vorsprünge und Unregelmäßigkeiten verhindert, die auf ihrer Oberfläche vorhanden sind. Indem wir solche Körper zusammendrücken und aneinander reiben, bringen wir ihre Oberflächen zusammen, die sich ohne Druck nur an wenigen Stellen berühren würden. In einigen Körpern können sich elektrische Ladungen frei zwischen verschiedenen Teilen bewegen, während dies in anderen nicht möglich ist. Im ersten Fall werden die Körper "Leiter" und im zweiten "Dielektrika oder Isolatoren" genannt. Leiter sind alle Metalle, wässrige Lösungen von Salzen und Säuren usw. Beispiele für Isolatoren sind Bernstein, Quarz, Ebonit und alle Gase, die unter normalen Bedingungen vorhanden sind.

Dennoch ist zu beachten, dass die Einteilung von Körpern in Leiter und Dielektrika sehr willkürlich ist. Alle Stoffe leiten mehr oder weniger elektrischen Strom. Elektrische Ladungen sind entweder positiv oder negativ. Diese Art von Strom wird nicht lange anhalten, da der elektrifizierte Körper keine Ladung mehr hat. Für die kontinuierliche Existenz eines elektrischen Stroms in einem Leiter ist es notwendig, ein elektrisches Feld aufrechtzuerhalten. Für diese Zwecke werden elektrische Stromquellen verwendet. Der einfachste Fall des Auftretens eines elektrischen Stroms ist, wenn ein Ende des Drahtes mit einem elektrifizierten Körper und das andere mit Erde verbunden ist.

Elektrische Schaltkreise, die Glühbirnen und Elektromotoren mit Strom versorgen, tauchten erst nach der Erfindung der Batterien auf, die auf etwa 1800 zurückgeht. Danach ging die Entwicklung der Elektrizitätslehre so schnell voran, dass sie in weniger als einem Jahrhundert nicht nur ein Teil der Physik wurde, sondern die Grundlage einer neuen elektrischen Zivilisation bildete.

Die Hauptmengen des elektrischen Stroms

Die Menge an Strom und Stromstärke. Die Wirkung von elektrischem Strom kann stark oder schwach sein. Die Stärke des elektrischen Stroms hängt von der Ladungsmenge ab, die in einer bestimmten Zeiteinheit durch den Stromkreis fließt. Je mehr Elektronen sich von einem Pol der Quelle zum anderen bewegen, desto größer ist die von den Elektronen getragene Gesamtladung. Diese Gesamtladung wird als Strommenge bezeichnet, die durch den Leiter fließt.

Die Strommenge hängt insbesondere von der chemischen Wirkung des elektrischen Stroms ab, d. h. je größer die durch die Elektrolytlösung geleitete Ladung ist, desto mehr setzt sich der Stoff an Kathode und Anode ab. In diesem Zusammenhang kann die Elektrizitätsmenge berechnet werden, indem die Masse der auf der Elektrode abgeschiedenen Substanz gewogen wird und die Masse und Ladung eines Ions dieser Substanz bekannt sind.

Die Stromstärke ist ein Wert, der gleich dem Verhältnis ist elektrische Ladung durch den Querschnitt des Leiters zum Zeitpunkt seines Flusses geleitet. Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (C), die Zeit wird in Sekunden (s) gemessen. Die Einheit der Stromstärke wird dabei in C/s ausgedrückt. Diese Einheit wird Ampere (A) genannt. Um die Stromstärke in einem Stromkreis zu messen, wird ein elektrisches Messgerät namens Amperemeter verwendet. Zur Einbindung in den Stromkreis ist das Amperemeter mit zwei Anschlüssen ausgestattet. Es ist in Reihe in die Schaltung eingebunden.

elektrische Spannung. Wir wissen bereits, dass elektrischer Strom eine geordnete Bewegung geladener Teilchen – Elektronen – ist. Diese Bewegung wird mit Hilfe eines elektrischen Feldes erzeugt, das eine gewisse Arbeit verrichtet. Dieses Phänomen wird die Arbeit eines elektrischen Stroms genannt. Um in 1 Sekunde mehr Ladung durch einen Stromkreis zu bewegen, muss das elektrische Feld mehr Arbeit leisten. Auf dieser Grundlage stellt sich heraus, dass die Arbeit eines elektrischen Stroms von der Stärke des Stroms abhängen sollte. Aber es gibt noch einen anderen Wert, von dem die Arbeit des Stroms abhängt. Dieser Wert wird als Spannung bezeichnet.

Die Spannung ist das Verhältnis der Arbeit des Stroms in einem bestimmten Abschnitt des Stromkreises zur Ladung, die durch denselben Abschnitt des Stromkreises fließt. Die Stromarbeit wird in Joule (J) gemessen, die Ladung in Pendants (C). In dieser Hinsicht wird die Einheit der Spannungsmessung 1 J/C sein. Diese Einheit wird Volt (V) genannt.

Damit in einem Stromkreis eine Spannung entsteht, wird eine Stromquelle benötigt. Bei einem offenen Stromkreis liegt Spannung nur an den Stromquellenanschlüssen an. Wenn diese Stromquelle im Stromkreis enthalten ist, tritt auch in bestimmten Abschnitten des Stromkreises Spannung auf. In dieser Hinsicht wird es auch einen Strom in der Schaltung geben. Das heißt, wir können kurz Folgendes sagen: Wenn keine Spannung im Stromkreis vorhanden ist, fließt kein Strom. Um die Spannung zu messen, wird ein elektrisches Messgerät namens Voltmeter verwendet. Seine Aussehen es ähnelt dem zuvor erwähnten Amperemeter, mit dem einzigen Unterschied, dass der Buchstabe V auf der Skala des Voltmeters steht (statt A auf dem Amperemeter). Das Voltmeter hat zwei Klemmen, mit deren Hilfe es parallel zum Stromkreis geschaltet wird.

Elektrischer Wiederstand. Nachdem Sie alle Arten von Leitern und ein Amperemeter an einen Stromkreis angeschlossen haben, können Sie feststellen, dass das Amperemeter bei Verwendung verschiedener Leiter unterschiedliche Messwerte liefert, dh in diesem Fall ist die im Stromkreis verfügbare Stromstärke unterschiedlich. Dieses Phänomen lässt sich dadurch erklären, dass verschiedene Leiter einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand haben, der eine physikalische Größe ist. Zu Ehren des deutschen Physikers wurde sie Ohm genannt. In der Physik werden in der Regel größere Einheiten verwendet: Kiloohm, Megaohm usw. Der Leiterwiderstand wird normalerweise mit dem Buchstaben R bezeichnet, die Leiterlänge ist L, die Querschnittsfläche ist S. In diesem Fall kann der Widerstand sein als Formel geschrieben:

wobei der Koeffizient p als spezifischer Widerstand bezeichnet wird. Dieser Koeffizient drückt den Widerstand eines 1 m langen Leiters mit einer Querschnittsfläche von 1 m2 aus. Der spezifische Widerstand wird ausgedrückt in Ohm x m. Da Drähte in der Regel einen eher kleinen Querschnitt haben, werden ihre Flächen normalerweise in ausgedrückt Quadratmillimeter. In diesem Fall ist die Einheit des spezifischen Widerstands Ohm x mm2/m. In der folgenden Tabelle. 1 zeigt den spezifischen Widerstand einiger Materialien.

Laut Tabelle. 1 wird deutlich, dass Kupfer den kleinsten elektrischen Widerstand und eine Legierung von Metallen den größten hat. Außerdem haben Dielektrika (Isolatoren) einen hohen spezifischen Widerstand.

Elektrische Kapazität. Wir wissen bereits, dass zwei voneinander isolierte Leiter elektrische Ladungen ansammeln können. Dieses Phänomen ist durch eine physikalische Größe gekennzeichnet, die als elektrische Kapazität bezeichnet wird. Die elektrische Kapazität zweier Leiter ist nichts anderes als das Verhältnis der Ladung eines von ihnen zur Potentialdifferenz zwischen diesem Leiter und dem benachbarten. Je niedriger die Spannung ist, wenn die Leiter aufgeladen werden, desto größer ist ihre Kapazität. Das Farad (F) wird als Einheit der elektrischen Kapazität verwendet. In der Praxis werden Bruchteile dieser Einheit verwendet: Mikrofarad (µF) und Picofarad (pF).

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Nimmt man zwei voneinander isolierte Leiter, platziert sie in geringem Abstand zueinander, erhält man einen Kondensator. Die Kapazität eines Kondensators hängt von der Dicke seiner Platten und der Dicke des Dielektrikums und seiner Permeabilität ab. Durch Verringerung der Dicke des Dielektrikums zwischen den Platten des Kondensators ist es möglich, dessen Kapazität stark zu erhöhen. Auf allen Kondensatoren muss zusätzlich zu ihrer Kapazität die Spannung angegeben werden, für die diese Geräte ausgelegt sind.

Arbeit und Leistung des elektrischen Stroms. Aus dem Vorhergehenden wird deutlich, dass der elektrische Strom eine gewisse Arbeit verrichtet. Wenn Elektromotoren angeschlossen sind, bringt der elektrische Strom alle Arten von Geräten zum Laufen, bewegt Züge auf den Schienen, beleuchtet die Straßen, heizt das Haus und erzeugt auch einen chemischen Effekt, dh er ermöglicht Elektrolyse usw. Wir können das sagen Die Arbeit des Stroms in einem bestimmten Abschnitt des Stromkreises ist gleich dem Produktstrom, der Spannung und der Zeit, während der die Arbeit geleistet wurde. Arbeit wird in Joule gemessen, Spannung in Volt, Strom in Ampere und Zeit in Sekunden. In dieser Hinsicht ist 1 J = 1 V x 1 A x 1 s. Daraus ergibt sich, dass zur Messung der Arbeit eines elektrischen Stroms drei Geräte gleichzeitig verwendet werden sollten: ein Amperemeter, ein Voltmeter und eine Uhr. Aber das ist umständlich und ineffizient. Daher wird üblicherweise die Arbeit eines elektrischen Stroms gemessen Stromzähler. Das Gerät dieses Geräts enthält alle oben genannten Geräte.

Die Leistung eines elektrischen Stroms ist gleich dem Verhältnis der Arbeit des Stroms zur Zeit, während der er verrichtet wurde. Die Leistung wird mit dem Buchstaben „P“ bezeichnet und in Watt (W) ausgedrückt. In der Praxis verwendet man Kilowatt, Megawatt, Hektowatt usw. Um die Leistung der Schaltung zu messen, muss man ein Wattmeter nehmen. Elektrische Arbeit wird in Kilowattstunden (kWh) angegeben.

Grundgesetze des elektrischen Stroms

Ohm'sches Gesetz. Spannung und Strom gelten als die bequemsten Eigenschaften elektrischer Schaltungen. Eines der Hauptmerkmale der Nutzung von Elektrizität ist der schnelle Transport von Energie von einem Ort zum anderen und ihre Übergabe an den Verbraucher in der gewünschten Form. Das Produkt aus Potentialdifferenz und Stromstärke ergibt die Leistung, also die im Stromkreis pro Zeiteinheit abgegebene Energiemenge. Wie oben erwähnt, wären zum Messen der Leistung in einem Stromkreis 3 Geräte erforderlich. Ist es möglich, mit einem zu arbeiten und die Leistung aus seinen Messwerten und einigen Merkmalen des Stromkreises, wie z. B. seinem Widerstand, zu berechnen? Viele Leute mochten diese Idee, sie hielten sie für fruchtbar.

Was ist also der Widerstand eines Drahtes oder eines Stromkreises als Ganzes? Hat der Draht wie Wasserrohre oder die Röhren eines Vakuumsystems, eine konstante Eigenschaft, die man Widerstand nennen könnte? Beispielsweise ist in Rohren das Verhältnis der den Durchfluss erzeugenden Druckdifferenz dividiert durch die Durchflussrate normalerweise eine konstante Eigenschaft des Rohrs. Ebenso unterliegt der Wärmestrom in einem Draht einem einfachen Zusammenhang, der die Temperaturdifferenz, die Querschnittsfläche des Drahtes und seine Länge beinhaltet. Die Entdeckung einer solchen Beziehung z Stromkreise war das Ergebnis einer erfolgreichen Suche.

In den 1820er Jahren begann der deutsche Schullehrer Georg Ohm als erster mit der Suche nach dem oben genannten Verhältnis. Zunächst strebte er nach Ruhm und Ehre, die es ihm ermöglichen würden, an der Universität zu lehren. Nur deshalb entschied er sich für ein Studienfach, das besondere Vorteile bot.

Om war der Sohn eines Schlossers, also wusste er, wie man Metalldrähte unterschiedlicher Dicke zieht, die er für Experimente brauchte. Da es damals unmöglich war, einen geeigneten Draht zu kaufen, fertigte Om ihn mit seinen eigenen Händen an. Während der Experimente probierte er verschiedene Längen, verschiedene Dicken, verschiedene Metalle und sogar verschiedene Temperaturen aus. Alle diese Faktoren variierte er der Reihe nach. Zu Ohms Zeiten waren Batterien noch schwach und lieferten einen Strom unterschiedlicher Größe. Dabei nutzte der Forscher ein Thermoelement als Generator, dessen heiße Verbindungsstelle in eine Flamme gelegt wurde. Darüber hinaus verwendete er ein grobes magnetisches Amperemeter und maß Potentialunterschiede (Ohm nannte sie "Spannungen"), indem er die Temperatur oder die Anzahl der thermischen Übergänge änderte.

Die Lehre von den elektrischen Schaltungen hat gerade ihre Entwicklung erhalten. Nach der Erfindung der Batterien um 1800 begann sie sich viel schneller zu entwickeln. Verschiedene Geräte wurden entworfen und hergestellt (oftmals von Hand), neue Gesetze wurden entdeckt, Konzepte und Begriffe tauchten auf usw. All dies führte zu einem tieferen Verständnis elektrischer Phänomene und Faktoren.

Die Aktualisierung des Wissens über Elektrizität führte einerseits zur Entstehung eines neuen Gebiets der Physik, war andererseits die Grundlage für die rasante Entwicklung der Elektrotechnik, also Batterien, Generatoren, Stromversorgungssysteme für Beleuchtung und Elektroantrieb, Elektroöfen, Elektromotoren usw. wurden erfunden, andere.

Ohms Entdeckungen waren großer Wert sowohl für die Entwicklung der Elektrizitätslehre als auch für die Entwicklung der angewandten Elektrotechnik. Sie machten es einfach, die Eigenschaften von Stromkreisen für Gleichstrom und später für Wechselstrom vorherzusagen. 1826 veröffentlichte Ohm ein Buch, in dem er die theoretischen Schlussfolgerungen und experimentellen Ergebnisse skizzierte. Aber seine Hoffnungen wurden nicht gerechtfertigt, das Buch wurde mit Spott aufgenommen. Dies geschah, weil die Methode des groben Experimentierens in einer Zeit, in der viele Menschen die Philosophie liebten, wenig attraktiv erschien.

Omu blieb nichts anderes übrig, als seine Position als Lehrer aufzugeben. Eine Anstellung an der Universität hat er aus demselben Grund nicht erreicht. Sechs Jahre lang lebte der Wissenschaftler in Armut, ohne Vertrauen in die Zukunft und erlebte ein Gefühl bitterer Enttäuschung.

Doch nach und nach erlangten seine Werke zunächst außerhalb Deutschlands Berühmtheit. Om wurde im Ausland respektiert, seine Forschung wurde genutzt. In dieser Hinsicht waren Landsleute gezwungen, ihn in ihrer Heimat anzuerkennen. 1849 erhielt er eine Professur an der Universität München.

Ohm entdeckte ein einfaches Gesetz, das eine Beziehung zwischen Strom und Spannung für ein Stück Draht (für einen Teil des Stromkreises, für den gesamten Stromkreis) herstellt. Außerdem hat er Regeln aufgestellt, mit denen Sie bestimmen können, was sich ändert, wenn Sie einen Draht mit einer anderen Größe nehmen. Das Ohmsche Gesetz wird wie folgt formuliert: Die Stromstärke in einem Abschnitt des Stromkreises ist direkt proportional zur Spannung in diesem Abschnitt und umgekehrt proportional zum Widerstand des Abschnitts.

Joule-Lenz-Gesetz. Elektrischer Strom in jedem Teil des Stromkreises verrichtet eine bestimmte Arbeit. Nehmen wir zum Beispiel einen Abschnitt des Stromkreises, zwischen dessen Enden eine Spannung (U) anliegt. Nach der Definition der elektrischen Spannung ist die Arbeit, die beim Bewegen einer Ladungseinheit zwischen zwei Punkten verrichtet wird, gleich U. Wenn die Stromstärke in einem bestimmten Abschnitt des Stromkreises i ist, dann wird die Ladung in der Zeit t und damit passieren Die Arbeit des elektrischen Stroms in diesem Abschnitt wird sein:

Dieser Ausdruck gilt in jedem Fall für Gleichstrom, für jeden Abschnitt des Stromkreises, der Leiter, Elektromotoren usw. enthalten kann. Die aktuelle Leistung, dh Arbeit pro Zeiteinheit, ist gleich:

Diese Formel wird im SI-System verwendet, um die Einheit der Spannung zu bestimmen.

Nehmen wir an, dass der Abschnitt des Stromkreises ein fester Leiter ist. In diesem Fall wird die gesamte Arbeit in Wärme umgewandelt, die in diesem Leiter freigesetzt wird. Wenn der Leiter homogen ist und dem Ohmschen Gesetz gehorcht (dies schließt alle Metalle und Elektrolyte ein), dann:

wobei r der Widerstand des Leiters ist. In diesem Fall:

Dieses Gesetz wurde zuerst von E. Lenz und unabhängig von ihm von Joule empirisch hergeleitet.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Erwärmung von Leitern zahlreiche Anwendungen in der Technik findet. Die gebräuchlichsten und wichtigsten unter ihnen sind Glühlampen.

Gesetz der elektromagnetischen Induktion. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckte der englische Physiker M. Faraday das Phänomen der magnetischen Induktion. Diese Tatsache, die zum Eigentum vieler Forscher wurde, gab der Entwicklung der Elektro- und Funktechnik einen starken Impuls.

Im Laufe von Experimenten fand Faraday heraus, dass, wenn sich die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die eine durch eine geschlossene Schleife begrenzte Oberfläche durchdringen, ändert, darin ein elektrischer Strom entsteht. Dies ist die Grundlage für das vielleicht wichtigste Gesetz der Physik – das Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Der Strom, der im Stromkreis auftritt, wird als induktiv bezeichnet. Aufgrund der Tatsache, dass elektrischer Strom im Stromkreis nur dann auftritt, wenn äußere Kräfte auf freie Ladungen einwirken, treten bei einem sich ändernden magnetischen Fluss, der über die Oberfläche eines geschlossenen Stromkreises fließt, dieselben äußeren Kräfte darin auf. Die Wirkung äußerer Kräfte wird in der Physik als elektromotorische Kraft oder Induktions-EMK bezeichnet.

Elektromagnetische Induktion tritt auch in offenen Leitern auf. Wenn der Leiter den Magneten kreuzt Kraftlinien, Spannung wird an seinen Enden erzeugt. Der Grund für das Auftreten einer solchen Spannung ist die Induktions-EMK. Wenn sich der magnetische Fluss, der durch einen geschlossenen Stromkreis fließt, nicht ändert, Induktionsstrom erscheint nicht.

Unter Verwendung des Begriffs „EMK der Induktion“ kann man über das Gesetz der elektromagnetischen Induktion sprechen, d.h. die EMF der Induktion in einer geschlossenen Schleife ist im absoluten Wert gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die begrenzte Oberfläche Schleife.

Lenzsche Regel. Wie wir bereits wissen, tritt im Leiter ein induktiver Strom auf. Abhängig von den Bedingungen seines Auftretens hat es eine andere Richtung. Der russische Physiker Lenz formulierte bei dieser Gelegenheit folgende Regel: Der Induktionsstrom, der in einem geschlossenen Stromkreis auftritt, hat immer eine solche Richtung, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld eine Änderung des magnetischen Flusses nicht zulässt. All dies verursacht das Auftreten eines Induktionsstroms.

Induktionsstrom hat wie jeder andere Energie. Im Falle des Auftretens eines Induktionsstroms erscheint also Elektrische Energie. Nach dem Energieerhaltungs- und Umwandlungssatz kann die oben genannte Energie nur durch die Energiemenge einer anderen Energieart entstehen. Somit entspricht die Lenzsche Regel vollständig dem Energieerhaltungs- und -umwandlungsgesetz.

Neben der Induktion kann in der Spule auch die sogenannte Selbstinduktion auftreten. Sein Wesen ist wie folgt. Wenn in der Spule ein Strom auftritt oder sich seine Stärke ändert, tritt ein sich änderndes Magnetfeld auf. Und wenn sich der durch die Spule fließende Magnetfluss ändert, entsteht darin eine elektromotorische Kraft, die genannt wird EMF-Selbstinduktion.

Nach der Lenz-Regel stört die EMK der Selbstinduktion beim Schließen des Stromkreises die Stromstärke und lässt sie nicht ansteigen. Beim Abschalten des EMF-Kreises reduziert die Selbstinduktion die Stromstärke. Wenn die Stromstärke in der Spule einen bestimmten Wert erreicht, ändert sich das Magnetfeld nicht mehr und die Selbstinduktions-EMK wird Null.

Dies ist die geordnete Bewegung bestimmter geladener Teilchen. Um das volle Potenzial der Elektrizität kompetent nutzen zu können, müssen alle Prinzipien des Geräts und die Funktionsweise des elektrischen Stroms klar verstanden werden. Lassen Sie uns also herausfinden, was Arbeit und Stromstärke sind.

Woher kommt elektrischer Strom?

Trotz der scheinbaren Einfachheit der Frage sind nur wenige in der Lage, eine verständliche Antwort darauf zu geben. Heutzutage, wenn sich die Technologie mit unglaublicher Geschwindigkeit entwickelt, denkt eine Person natürlich nicht besonders über so elementare Dinge wie das Funktionsprinzip eines elektrischen Stroms nach. Woher kommt Strom? Sicherlich werden viele antworten „Na, natürlich aus der Steckdose“ oder einfach nur mit den Schultern zucken. In der Zwischenzeit ist es sehr wichtig zu verstehen, wie der Strom funktioniert. Dies sollte nicht nur Wissenschaftlern, sondern auch Menschen, die in keiner Weise mit der Welt der Wissenschaften verbunden sind, für ihre allgemeine vielseitige Entwicklung bekannt sein. Aber das Prinzip des Strombetriebs richtig anwenden zu können, ist nicht jedermanns Sache.

Zuerst müssen Sie also verstehen, dass Strom nicht aus dem Nichts entsteht: Er wird von speziellen Generatoren erzeugt, die sich in verschiedenen Kraftwerken befinden. Dank der Rotationsarbeit der Turbinenschaufeln erzeugt Dampf, der durch Erhitzen von Wasser mit Kohle oder Öl gewonnen wird, Energie, die anschließend mit Hilfe eines Generators in Strom umgewandelt wird. Der Generator ist sehr einfach: In der Mitte des Geräts befindet sich ein riesiger und sehr starker Magnet, der dazu führt, dass sich elektrische Ladungen entlang von Kupferdrähten bewegen.

Wie kommt der Strom zu uns nach Hause?

Nachdem mit Hilfe von Energie (thermisch oder nuklear) eine bestimmte Menge an elektrischem Strom gewonnen wurde, kann dieser den Menschen zugeführt werden. Eine solche Stromversorgung funktioniert wie folgt: Damit der Strom erfolgreich alle Wohnungen und Unternehmen erreicht, muss er „gepusht“ werden. Und dafür müssen Sie die Kraft erhöhen, die dies tun wird. Sie wird als Spannung des elektrischen Stroms bezeichnet. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Der Strom fließt durch den Transformator, wodurch seine Spannung erhöht wird. Außerdem fließt der elektrische Strom durch Kabel, die tief unter der Erde oder in der Höhe verlegt sind (weil die Spannung manchmal 10.000 Volt erreicht, was für Menschen tödlich ist). Wenn der Strom sein Ziel erreicht, muss er erneut durch den Transformator fließen, der nun seine Spannung reduziert. Dann geht es durch die Drähte zu den installierten Abschirmungen hinein Apartmentgebäude oder andere Gebäude.

Der Strom, der durch die Drähte transportiert wird, kann dank des Steckdosensystems genutzt werden, an das Haushaltsgeräte angeschlossen werden. In den Wänden werden zusätzliche Kabel geführt, durch die elektrischer Strom fließt, und dank dessen funktionieren die Beleuchtung und alle Geräte im Haus.

Was ist aktuelle Arbeit?

Die Energie, die ein elektrischer Strom in sich trägt, wird im Laufe der Zeit in Licht oder Wärme umgewandelt. Wenn wir zum Beispiel die Lampe einschalten, elektrische Sicht Energie wird in Licht umgewandelt.

In einer zugänglichen Sprache gesprochen, ist die Arbeit des Stroms die Aktion, die die Elektrizität selbst hervorgebracht hat. Außerdem lässt sie sich ganz einfach über die Formel berechnen. Basierend auf dem Energieerhaltungssatz können wir schlussfolgern, dass elektrische Energie nicht verschwunden ist, sondern sich ganz oder teilweise in eine andere Form umgewandelt hat, während sie eine bestimmte Menge an Wärme abgibt. Diese Wärme ist die Arbeit des Stroms, wenn er durch den Leiter fließt und ihn erwärmt (es findet ein Wärmeaustausch statt). So sieht die Joule-Lenz-Formel aus: A \u003d Q \u003d U * I * t (Arbeit ist gleich der Wärmemenge oder dem Produkt aus der aktuellen Leistung und der Zeit, in der sie durch den Leiter geflossen ist).

Was bedeutet Gleichstrom?

Es gibt zwei Arten von elektrischem Strom: Wechselstrom und Gleichstrom. Sie unterscheiden sich darin, dass letztere ihre Richtung nicht ändert, zwei Klemmen hat (positiv „+“ und negativ „-“) und ihre Bewegung immer bei „+“ beginnt. Und Wechselstrom hat zwei Anschlüsse - Phase und Null. Aufgrund des Vorhandenseins einer Phase am Ende des Leiters wird es auch als einphasig bezeichnet.

Die Prinzipien des Geräts für einphasigen Wechselstrom und Gleichstrom sind völlig unterschiedlich: Im Gegensatz zu Gleichstrom ändert der Wechselstrom sowohl seine Richtung (Bildung eines Flusses sowohl von der Phase nach Null als auch von Null zur Phase) und seine Größe . So ändert beispielsweise Wechselstrom periodisch den Wert seiner Ladung. Es stellt sich heraus, dass die Elektronen bei einer Frequenz von 50 Hz (50 Schwingungen pro Sekunde) genau 100 Mal ihre Bewegungsrichtung ändern.

Wo wird Gleichstrom verwendet?

Elektrischer Gleichstrom hat einige Eigenschaften. Da es streng in eine Richtung fließt, ist es schwieriger, es zu transformieren. Als Gleichstromquellen kommen folgende Elemente in Frage:

• Batterien (sowohl Alkali- als auch Säurebatterien);
• herkömmliche Batterien für Kleingeräte;
• und auch verschiedene Geräte Art von Konvertern.

Gleichstrombetrieb

Was sind seine Hauptmerkmale? Dies sind Arbeit und aktuelle Macht, und beide Konzepte sind sehr eng miteinander verbunden. Leistung bedeutet die Arbeitsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit (pro 1 s). Nach dem Joule-Lenz-Gesetz erhalten wir, dass die Arbeit eines elektrischen Gleichstroms gleich dem Produkt aus der Stärke des Stroms selbst, der Spannung und der Zeit ist, während der die Arbeit des elektrischen Felds zur Übertragung von Ladungen verrichtet wurde der Schaffner.

So sieht die Formel zum Ermitteln der Stromarbeit unter Berücksichtigung des Ohmschen Widerstandsgesetzes in Leitern aus: A \u003d I 2 * R * t (Arbeit ist gleich dem Quadrat der Stromstärke multipliziert mit dem Wert des Widerstandes des Leiters und noch einmal multipliziert mit dem Wert der Zeit, für die die Arbeit geleistet wurde).

Metalle im festen Zustand haben bekanntlich eine kristalline Struktur. Partikel in Kristallen sind in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet und bilden ein räumliches (Kristall-) Gitter.

An den Knoten des Metallkristallgitters befinden sich positive Ionen, im Raum zwischen ihnen bewegen sich freie Elektronen. Freie Elektronen sind nicht an die Kerne ihrer Atome gebunden (Abb. 53).

Reis. 53. Metallgitter

Die negative Ladung aller freien Elektronen im Betrag ist gleich positive Ladung alle Gitterionen. Daher ein normale Bedingungen Metall ist elektrisch neutral. Freie Elektronen darin bewegen sich zufällig. Wenn jedoch im Metall ein elektrisches Feld erzeugt wird, beginnen sich freie Elektronen unter der Wirkung elektrischer Kräfte in eine Richtung zu bewegen. Es wird ein elektrischer Strom fließen. In diesem Fall bleibt die zufällige Bewegung von Elektronen erhalten, genauso wie die zufällige Bewegung in einem Mückenschwarm erhalten bleibt, wenn er sich unter dem Einfluss des Windes in eine Richtung bewegt.

So, elektrischer Strom in Metallen ist eine geordnete Bewegung freier Elektronen.

Mandelstam Leonid Isaakovich (1879-1944)
Russischer Physiker, Akademiker. Er leistete einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der Radiophysik und Funktechnik.

Papaleksi Nikolai Dmitrijewitsch (1880-1947)
Russischer Physiker, Akademiker. Er forschte auf dem Gebiet der Funktechnik, Radiophysik und Radioastronomie.

Der Beweis, dass der Strom in Metallen auf Elektronen zurückzuführen ist, waren die Experimente der Physiker unseres Landes Leonid Isaakovich Mandelstam und Nikolai Dmitrievich Papaleksi sowie der amerikanischen Physiker Balfour Stewart und Robert Tolman.

Die Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen selbst im Leiter unter Einwirkung eines elektrischen Feldes ist gering - einige Millimeter pro Sekunde und manchmal sogar weniger. Doch sobald im Leiter ein elektrisches Feld entsteht, breitet es sich mit einer enormen Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (300.000 km/s) über die gesamte Länge des Leiters aus.

Gleichzeitig mit der Ausbreitung des elektrischen Feldes beginnen sich alle Elektronen über die gesamte Länge des Leiters in die gleiche Richtung zu bewegen. Wenn also beispielsweise der Stromkreis einer elektrischen Lampe geschlossen wird, beginnen sich auch die in der Lampenspirale befindlichen Elektronen geordnet zu bewegen.

Es hilft, dies zu verstehen, indem man den elektrischen Strom mit dem Wasserfluss in einem Wasserversorgungssystem und die Ausbreitung eines elektrischen Felds mit der Ausbreitung des Wasserdrucks vergleicht. Wenn Wasser in einen Wasserturm steigt, breitet sich der Druck (Druck) des Wassers sehr schnell aus Abwassersystem. Wenn wir den Wasserhahn aufdrehen, steht das Wasser bereits unter Druck und beginnt sofort zu fließen. Aber das Wasser, das darin war, fließt aus dem Wasserhahn, und das Wasser aus dem Turm wird den Wasserhahn viel später erreichen, da die Bewegung des Wassers mit einer geringeren Geschwindigkeit erfolgt, als sich der Druck ausbreitet.

Wenn sie von der Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Stroms in einem Leiter sprechen, meinen sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Felds entlang des Leiters.

Ein elektrisches Signal, das beispielsweise per Kabel von Moskau nach Wladiwostok (s = 8000 km) gesendet wird, kommt dort in etwa 0,03 s an.

Fragen

1. Wie ist zu erklären, dass das Metall unter normalen Bedingungen elektrisch neutral ist?
2. Was passiert mit den Elektronen eines Metalls, wenn darin ein elektrisches Feld auftritt?
3. Was ist elektrischer Strom in Metall?
4. Welche Geschwindigkeit ist gemeint, wenn man von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Stroms in einem Leiter spricht?

Die Übung

Finden Sie mithilfe des Internets heraus, wie schnell sich Elektronen in Metallen bewegen. Vergleichen Sie es mit der Lichtgeschwindigkeit.

Die ersten Entdeckungen im Zusammenhang mit der Arbeit mit Elektrizität begannen im 7. Jahrhundert vor Christus. Philosoph Antikes Griechenland Thales von Milet enthüllte, dass Bernstein, wenn er an Wolle gerieben wird, anschließend leichte Gegenstände anziehen kann. Aus dem Griechischen wird „Elektrizität“ mit „Bernstein“ übersetzt. 1820 begründete André-Marie Ampère das Gleichstromgesetz. In Zukunft wurde die Größe des Stroms oder das Maß für den elektrischen Strom in Ampere angegeben.

Begriffsbedeutung

Das Konzept des elektrischen Stroms findet sich in jedem Physiklehrbuch. elektrischer Strom- Dies ist eine geordnete Bewegung elektrisch geladener Teilchen in eine Richtung. Um für einen einfachen Laien zu verstehen, was ein elektrischer Strom ist, sollten Sie das Wörterbuch eines Elektrikers verwenden. Darin steht der Begriff für die Bewegung von Elektronen durch einen Leiter oder Ionen durch einen Elektrolyten.

Abhängig von der Bewegung von Elektronen oder Ionen innerhalb des Leiters wird unterschieden: Arten von Strömen:

• Konstante;
• Variable;
• intermittierend oder pulsierend.

Grundlegende Messungen

Die Stärke des elektrischen Stroms- der Hauptindikator, den Elektriker bei ihrer Arbeit verwenden. Die Stärke des elektrischen Stroms hängt von der Größe der Ladung ab, die für eine bestimmte Zeit durch den Stromkreis fließt. Je mehr Elektronen von einem Anfang der Quelle zum Ende geflossen sind, desto größer ist die von den Elektronen übertragene Ladung.

Eine Größe, die durch das Verhältnis der elektrischen Ladung gemessen wird, die durch den Querschnitt von Partikeln in einem Leiter fließt, zu der Zeit, die es passiert. Die Ladung wird in Coulomb gemessen, die Zeit in Sekunden und eine Einheit des Stromflusses wird durch das Verhältnis von Ladung zu Zeit (Coulomb zu Sekunde) oder Ampere bestimmt. Die Bestimmung des elektrischen Stroms (seiner Stärke) erfolgt durch Reihenschaltung zweier Klemmen mit dem Stromkreis.

Wenn der elektrische Strom arbeitet, erfolgt die Bewegung geladener Teilchen mit Hilfe eines elektrischen Feldes und hängt von der Stärke der Elektronenbewegung ab. Der Wert, von dem die Arbeit des elektrischen Stroms abhängt, wird Spannung genannt und wird durch das Verhältnis der Arbeit des Stroms in einem bestimmten Teil des Stromkreises und der durch denselben Teil fließenden Ladung bestimmt. Die Volteinheit wird mit einem Voltmeter gemessen, wenn die beiden Anschlüsse des Instruments parallel mit dem Stromkreis verbunden sind.

Der Wert des elektrischen Widerstands hängt direkt von der Art des verwendeten Leiters, seiner Länge und seinem Querschnitt ab. Es wird in Ohm gemessen.

Die Leistung wird durch das Verhältnis der Arbeit der Strombewegung zu der Zeit bestimmt, in der diese Arbeit aufgetreten ist. Leistung in Watt messen.

Eine solche physikalische Größe wie die Kapazität wird durch das Verhältnis der Ladung eines Leiters zur Potentialdifferenz zwischen demselben Leiter und dem benachbarten bestimmt. Je niedriger die Spannung ist, wenn die Leiter eine elektrische Ladung erhalten, desto größer ist ihre Kapazität. Es wird in Farad gemessen.

Der Wert der elektrischen Arbeit in einem bestimmten Intervall der Kette ergibt sich aus dem Produkt aus Stromstärke, Spannung und dem Zeitraum, in dem die Arbeit ausgeführt wurde. Letztere wird in Joule gemessen. Die Bestimmung der Arbeit des elektrischen Stroms erfolgt mit Hilfe eines Messgeräts, das die Messwerte aller Größen, nämlich Spannung, Kraft und Zeit, verbindet.

Elektrische Sicherheitstechnik

Die Kenntnis der elektrischen Sicherheitsregeln hilft, dies zu verhindern Notfall und die menschliche Gesundheit und das Leben zu schützen. Da Elektrizität dazu neigt, den Leiter zu erhitzen, besteht immer die Möglichkeit einer gesundheits- und lebensgefährlichen Situation. Für Haussicherheit einhalten muss folgendes einfaches aber Wichtige Regeln:

1. Die Netzwerkisolierung muss immer in gutem Zustand sein, um Überlastungen oder die Möglichkeit von Kurzschlüssen zu vermeiden.
2. Feuchtigkeit sollte nicht auf elektrische Geräte, Kabel, Abschirmungen usw. gelangen. Außerdem provoziert eine feuchte Umgebung Kurzschlüsse.
3. Stellen Sie sicher, dass alle elektrischen Geräte geerdet sind.
4. Es ist notwendig, eine Überlastung der elektrischen Verkabelung zu vermeiden, da die Gefahr einer Entzündung der Kabel besteht.

Sicherheitsvorkehrungen bei der Arbeit mit Elektrizität beinhalten die Verwendung von gummierten Handschuhen, Fäustlingen, Decken, Entladungsvorrichtungen, Erdungsvorrichtungen für Arbeitsbereiche, Leistungsschalter oder Sicherungen mit Wärme- und Stromschutz.

Erfahrene Elektriker arbeiten bei Gefahr eines Stromschlags mit einer Hand, die andere in der Tasche. Somit wird der Hand-zu-Hand-Kreis bei unbeabsichtigtem Kontakt mit der Abschirmung oder anderen geerdeten Geräten unterbrochen. Löschen Sie im Falle einer Entzündung von an das Netzwerk angeschlossenen Geräten das Feuer ausschließlich mit Pulver- oder Kohlendioxidlöschern.

Anwendung von elektrischem Strom

Elektrischer Strom hat viele Eigenschaften, die seinen Einsatz in nahezu allen Bereichen ermöglichen. Menschliche Aktivität. Möglichkeiten zur Nutzung von elektrischem Strom:

Strom ist heute am umweltfreundlichsten saubere Sicht Energie. Unter den Bedingungen der modernen Wirtschaft hat die Entwicklung der Elektroenergieindustrie zugenommen planetarische Bedeutung. Bei Rohstoffknappheit wird Strom als unerschöpfliche Energiequelle künftig eine Vorreiterrolle einnehmen.