Chémia
Na udržanie elektrického prúdu v obvode sú potrebné. Jednosmerný prúd, jeho vlastnosti. Podmienky potrebné na existenciu elektrického prúdu. Jednosmerný a striedavý prúd

Na udržanie elektrického prúdu v obvode sú potrebné. Jednosmerný prúd, jeho vlastnosti. Podmienky potrebné na existenciu elektrického prúdu. Jednosmerný a striedavý prúd

Elektrina. Ohmov zákon

Ak je izolovaný vodič umiestnený v elektrickom poli, potom na bezplatné poplatky q vo vodiči bude pôsobiť sila.V dôsledku toho dochádza vo vodiči ku krátkodobému pohybu voľných nábojov. Tento proces sa skončí, keď vlastné elektrické pole nábojov, ktoré vznikli na povrchu vodiča, úplne kompenzuje vonkajšie pole. Výsledné elektrostatické pole vo vnútri vodiča bude nulové (pozri § 1.5).

Vo vodičoch však za určitých podmienok môže nastať súvislý usporiadaný pohyb voľných nosičov. nabíjačka. Takýto pohyb sa nazýva elektrický šok . Podľa smeru elektrický prúd smer pohybu kladných voľných nábojov je prijatý. Pre existenciu elektrického prúdu vo vodiči je potrebné vytvoriť v ňom elektrické pole.

Kvantitatívna miera elektrického prúdu je prúdová sila ja – skalárne fyzikálne množstvo, rovný pomeru náboj Δ q, prenášaný cez prierez vodiča (obr. 1.8.1) za časový interval Δ t, do tohto časového intervalu:

V medzinárodnom systéme jednotiek SI sa prúd meria v ampéroch (A). Jednotka prúdu 1 A je nastavená podľa magnetická interakcia dva paralelné vodiče s prúdom (pozri § 1.16).

Konštantný elektrický prúd môže byť generovaný iba v uzavretý okruh , v ktorom voľné nosiče náboja cirkulujú po uzavretých dráhach. Elektrické pole v rôznych bodoch takéhoto obvodu je v priebehu času konštantné. V dôsledku toho má elektrické pole v jednosmernom obvode charakter zmrazeného stavu elektrostatické pole. Ale pri pohybe elektrického náboja v elektrostatickom poli po uzavretej dráhe je práca elektrických síl nulová (pozri § 1.4). Preto pre existenciu jednosmerného prúdu je potrebné mať v elektrickom obvode zariadenie, ktoré dokáže vytvárať a udržiavať potenciálne rozdiely v úsekoch obvodu v dôsledku práce síl. neelektrostatického pôvodu. Takéto zariadenia sú tzv zdroje jednosmerného prúdu . Volajú sa sily neelektrostatického pôvodu pôsobiace na voľné nosiče náboja zo zdrojov prúdu vonkajšie sily .

Povaha vonkajších síl môže byť rôzna. V galvanických článkoch alebo batériách vznikajú ako výsledok elektrochemických procesov, v DC generátoroch vznikajú vonkajšie sily pri pohybe vodičov v magnetickom poli. Zdroj prúdu v elektrickom obvode hrá rovnakú úlohu ako čerpadlo, ktoré je potrebné na čerpanie kvapaliny v uzavretom hydraulickom systéme. Pod vplyvom vonkajších síl sa elektrické náboje pohybujú vo vnútri zdroja prúdu proti sily elektrostatického poľa, vďaka ktorým sa v uzavretom okruhu môže udržiavať konštantný elektrický prúd.

Keď sa elektrické náboje pohybujú po obvode jednosmerného prúdu, fungujú vonkajšie sily pôsobiace vo vnútri zdrojov prúdu.

Fyzikálne množstvo rovnajúce sa pomeru práce A st vonkajšie sily pri pohybe náboja q zo záporného pólu zdroja prúdu na kladný k hodnote tohto náboja, sa nazýva zdrojová elektromotorická sila(EMF):

EMP je teda určené prácou vykonanou vonkajšími silami pri pohybe jedného kladného náboja. Elektromotorická sila, podobne ako potenciálny rozdiel, sa meria vo voltoch (V).

Keď sa jeden kladný náboj pohybuje pozdĺž uzavretého obvodu jednosmerného prúdu, práca vonkajších síl sa rovná súčtu EMF pôsobiacich v tomto obvode a práca elektrostatického poľa je nulová.

Jednosmerný obvod je možné rozdeliť na samostatné časti. Volajú sa tie úseky, na ktoré nepôsobia vonkajšie sily (t.j. úseky, ktoré neobsahujú zdroje prúdu). homogénne . Oblasti, ktoré zahŕňajú prúdové zdroje, sú tzv heterogénne .

Keď sa jednotkový kladný náboj pohybuje pozdĺž určitej časti obvodu, fungujú elektrostatické (Coulomb) aj vonkajšie sily. Práca elektrostatických síl sa rovná potenciálnemu rozdielu Δφ 12 \u003d φ 1 - φ 2 medzi počiatočným (1) a konečným (2) bodom nehomogénneho rezu. Práca vonkajších síl je podľa definície elektromotorická sila 12 pôsobiaca v tejto oblasti. Takže celková práca je

Nemecký fyzik G. Ohm v roku 1826 experimentálne zistil, že súčasná sila ja, ktorý preteká cez homogénny kovový vodič (t.j. vodič, v ktorom nepôsobia žiadne vonkajšie sily), je úmerný napätiu U na koncoch vodiča:

kde R= konšt.

hodnota R volal elektrický odpor . Vodič s elektrickým odporom sa nazýva odpor . Tento pomer vyjadruje Ohmov zákon pre homogénnu časť obvodu: Prúd vo vodiči je priamo úmerný použitému napätiu a nepriamo úmerný odporu vodiča.

V SI je jednotka elektrického odporu vodičov ohm (Ohm). Odpor 1 ohm má časť obvodu, v ktorej sa pri napätí 1 V vyskytuje prúd 1 A.

Volajú sa vodiče, ktoré dodržiavajú Ohmov zákon lineárne . Grafická závislosť sily prúdu ja od napätia U(takéto tabuľky sa nazývajú voltampérové charakteristiky , skrátene VAC) je znázornená priamkou prechádzajúcou počiatkom. Treba poznamenať, že existuje veľa materiálov a zariadení, ktoré nespĺňajú Ohmov zákon, ako napríklad polovodičová dióda alebo plynová výbojka. Aj pre kovové vodiče pri prúdoch to stačí veľkú silu existuje odchýlka od Ohmovho lineárneho zákona, pretože elektrický odpor kovových vodičov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.

Pre časť obvodu obsahujúcu EMF je Ohmov zákon napísaný v nasledujúcom tvare:

Ohmov zákon

Pridaním oboch rovností dostaneme:

ja (R + r) = Δφ cd + Δφ ab + .

Ale Δφ cd = Δφ ba = – Δφ ab. Preto

Tento vzorec vyjadrí Ohmov zákon pre úplný obvod : prúdová sila v kompletnom obvode sa rovná elektromotorickej sile zdroja, vydelená súčtom odporov homogénnych a nehomogénnych častí obvodu.

Odpor r heterogénna oblasť na obr. 1.8.2 možno vidieť ako vnútorný odpor zdroja prúdu . V tomto prípade zápletka ( ab) na obr. 1.8.2 je vnútorná časť zdroja. Ak body a a b zatvorte vodičom, ktorého odpor je malý v porovnaní s vnútorným odporom zdroja ( R << r), potom bude okruh prúdiť skratový prúd

Skratový prúd - maximálny prúd, ktorý je možné získať z daného zdroja s elektromotorickou silou a vnútorným odporom r. Pri zdrojoch s nízkym vnútorným odporom môže byť skratový prúd veľmi veľký a spôsobiť zničenie elektrického obvodu alebo zdroja. Napríklad olovené batérie používané v automobiloch môžu mať skratový prúd niekoľko stoviek ampérov. Zvlášť nebezpečné sú skraty v osvetľovacích sieťach napájaných z rozvodní (tisíce ampérov). Aby sa predišlo deštruktívnemu účinku takýchto vysokých prúdov, sú v obvode zahrnuté poistky alebo špeciálne ističe.

V niektorých prípadoch, aby sa zabránilo nebezpečným hodnotám skratového prúdu, je k zdroju zapojený nejaký vonkajší odpor sériovo. Potom odpor r sa rovná súčtu vnútorného odporu zdroja a vonkajšieho odporu a v prípade skratu nebude sila prúdu nadmerne veľká.

Ak je vonkajší obvod otvorený, potom Δφ ba = – Δφ ab= , t.j. potenciálny rozdiel na póloch otvorenej batérie sa rovná jej EMF.

Ak odpor vonkajšieho zaťaženia R zapnuté a cez batériu preteká prúd ja, potenciálny rozdiel na jeho póloch sa rovná

Δφ ba = – Ir.

Na obr. 1.8.3 je schematické znázornenie jednosmerného zdroja s rovnakým EMF a vnútorným odporom r v troch režimoch: "nečinnosť", práca na záťaži a režim skratu (skrat). Naznačené napätie elektrické pole vnútri batérie a sily pôsobiace na kladné náboje: – elektrická sila a – vonkajšia sila. V režime skratu elektrické pole vo vnútri batérie zmizne.

Na meranie napätí a prúdov v jednosmerných elektrických obvodoch sa používajú špeciálne zariadenia - voltmetre a ampérmetre.

Voltmeter navrhnutý na meranie rozdielu potenciálov aplikovaného na jeho svorky. On spája paralelnýúsek obvodu, na ktorom sa vykonáva meranie rozdielu potenciálov. Každý voltmeter má nejaký vnútorný odpor. R B. Aby voltmeter po pripojení k meranému obvodu nezaviedol citeľné prerozdelenie prúdov, musí byť jeho vnútorný odpor veľký v porovnaní s odporom úseku obvodu, ku ktorému je pripojený. Pre obvod znázornený na obr. 1.8.4 je táto podmienka napísaná takto:

R B >> R 1 .

Táto podmienka znamená, že prúd ja B = Δφ cd / R B, ktorý preteká voltmetrom, je oveľa menší ako prúd ja = Δφ cd / R 1, ktorý preteká cez testovaný úsek reťaze.

Pretože vo vnútri voltmetra nepôsobia žiadne vonkajšie sily, potenciálny rozdiel na jeho svorkách sa podľa definície zhoduje s napätím. Preto môžeme povedať, že voltmeter meria napätie.

Ampérmeter určené na meranie prúdu v obvode. Ampérmeter je zapojený do série s prerušením elektrického obvodu tak, aby ním prechádzal celý meraný prúd. Ampérmeter má tiež nejaký vnútorný odpor. R A. Na rozdiel od voltmetra musí byť vnútorný odpor ampérmetra dostatočne malý v porovnaní s celkovým odporom celého obvodu. Pre obvod na obr. 1.8.4 odpor ampérmetra musí spĺňať podmienku

Podmienky existencie jednosmerného elektrického prúdu.

Pre existenciu jednosmerného elektrického prúdu je potrebná prítomnosť voľných nabitých častíc a prítomnosť zdroja prúdu. v ktorom sa uskutočňuje premena akéhokoľvek druhu energie na energiu elektrického poľa.

Aktuálny zdroj- zariadenie, v ktorom sa akýkoľvek druh energie premieňa na energiu elektrického poľa. V zdroji prúdu pôsobia vonkajšie sily na nabité častice v uzavretom okruhu. Príčiny vonkajších síl v rôzne zdroje prúdy sú rôzne. Napríklad v batériách a galvanických článkoch vznikajú vonkajšie sily v dôsledku prúdenia chemické reakcie, v generátoroch elektrární vznikajú pri pohybe vodiča v magnetickom poli, vo fotočlánkoch - pri pôsobení svetla na elektróny v kovoch a polovodičoch.

Elektromotorická sila zdroja prúdunazývaný pomer práce vonkajších síl k hodnote kladného náboja preneseného zo záporného pólu zdroja prúdu na kladný.

Základné pojmy.

Súčasná sila- skalárna fyzikálna veličina rovnajúca sa pomeru náboja, ktorý prešiel vodičom, k času, za ktorý tento náboj prešiel.

kde ja - sila prúdu,q - výška poplatku (množstvo elektriny),t - účtovať čas prepravy.

súčasná hustota- vektorová fyzikálna veličina rovnajúca sa pomeru sily prúdu k ploche prierezu vodiča.

kde j -súčasná hustota, S - prierezová plocha vodiča.

Smer vektora prúdovej hustoty sa zhoduje so smerom pohybu kladne nabitých častíc.

Napätie - skalárna fyzikálna veličina rovnajúca sa pomeru celkovej práce Coulomba a vonkajších síl pri pohybe kladného náboja v oblasti k hodnote tohto náboja.

kdeA - plná práca tretích strán a Coulombových síl,q - nabíjačka.

Elektrický odpor- fyzikálna veličina charakterizujúca elektrické vlastnostičasť reťaze.

kde ρ - odpor dirigent,l - dĺžka časti vodiča,S - plocha prierezu vodiča.

Vodivosťje prevrátená hodnota odporu

kdeG - vodivosť.

Pre výskyt a udržiavanie prúdu v akomkoľvek médiu musia byť splnené dve podmienky:

V rôznych médiách sú nosičmi elektrického prúdu rôzne nabité častice.

Elektrické pole v médiu je nevyhnutné vytvoriť riadený pohyb bezplatných poplatkov. Ako je známe, na jeden náboj q v elektrickom poli sily E sila pôsobí F= q* E, ktorý núti voľné náboje pohybovať sa v smere elektrického poľa. Znakom existencie elektrického poľa vo vodiči je prítomnosť nenulového rozdielu potenciálov medzi akýmikoľvek dvoma bodmi vodiča,

Elektrické sily však nedokážu udržať elektrický prúd po dlhú dobu. Usmernený pohyb elektrických nábojov po určitom čase vedie k vyrovnaniu potenciálov na koncoch vodiča a následne k zániku elektrického poľa v ňom.

Na udržanie prúdu v elektrickom obvode okrem Coulombových síl musia sily pôsobiť na nálože neelektrické príroda (vonkajšie sily).

Zariadenie, ktoré vytvára vonkajšie sily, udržiava potenciálny rozdiel v obvode a premieňa rôzne druhy energie na elektrickú energiu, sa nazýva zdroj prúdu.

Pre existenciu elektrického prúdu v uzavretom obvode je potrebné do neho zaradiť zdroj prúdu.

Hlavné charakteristiky

1. Prúdová sila - I, jednotka merania - 1 A (Ampér).

Intenzita prúdu je hodnota rovnajúca sa náboju pretekajúcemu prierezom vodiča za jednotku času.

Vzorec (1) platí pre priamy prúd, pri ktorých sa sila a smer prúdu časom nemení. Ak sa sila prúdu a jeho smer menia s časom, potom sa takýto prúd nazýva premenných.

Pre AC:

I \u003d NtDd / Dt, (*)

tie. \u003d q", kde q" je derivácia náboja vzhľadom na čas.

2. Prúdová hustota - j, jednotka merania - 1 A / m2.

Prúdová hustota je hodnota rovnajúca sa sile prúdu pretekajúceho jedným prierezom vodiča:

3. Elektromotorická sila zdroja prúdu - emf. (e), jednotkou je 1 V (Volt). E.m.f. je fyzikálna veličina rovnajúca sa práci vykonanej vonkajšími silami pri pohybe po elektrickom obvode s jedným kladným nábojom:

e = priateľ. / g. (3)

4. Odpor vodiča - R, jednotka merania - 1 Ohm.

Pri pôsobení elektrického poľa vo vákuu by sa voľné náboje pohybovali zrýchlenou rýchlosťou. V hmote sa pohybujú v priemere rovnomerne, pretože časť energie sa dáva časticiam hmoty pri zrážkach.

Teória tvrdí, že energia usporiadaného pohybu nábojov je rozptýlená deformáciami kryštálovej mriežky. Na základe povahy elektrického odporu vyplýva, že

R = R* L / S E, (4)

l - dĺžka vodiča,

S - plocha prierezu,

r je faktor úmernosti, nazývaný odpor materiálu.

Tento vzorec je dobre potvrdený skúsenosťami.

Interakcia častíc vodiča s nábojmi pohybujúcimi sa v prúde závisí od chaotického pohybu častíc, t.j. na teplote vodiča. To je známe

r = r 0 (1 + m), (5)

R \u003d R0 (1 + m).

Koeficient a sa nazýva teplotný koeficient odporu:

a \u003d (R - R0) / R0 * t.

Pre chemicky čisté kovy a > 0 a rovná sa 1/273 K-1. Pre zliatiny sú teplotné koeficienty menej dôležité. Závislosť r(t) pre kovy je lineárna:

V roku 1911 bol objavený fenomén supravodivosť, ktorá spočíva v tom, že pri teplote blízkej absolútnej nule odpor niektorých kovov prudko klesne na nulu.

Pre niektoré látky (napríklad elektrolyty a polovodiče) sa rezistivita znižuje so zvyšujúcou sa teplotou, čo sa vysvetľuje zvýšením koncentrácie voľných nábojov.

Prevrátená hodnota odporu sa nazýva elektrická vodivosť s

c = 1/g (7)

5. Napätie - U, jednotka - 1 V.

Napätie je fyzikálna veličina rovnajúca sa práci vykonanej vonkajšími a elektrickými silami pri pohybe jedného kladného náboja.

U \u003d (st. + Ael.) / Q (8)

Pretože Ast./q = e a Ael./q = f1-f2, potom

U = e + (e1 - e2) (9)

2.7.2 Základy elektrickej bezpečnosti

Počas prevádzky a opravy elektrických zariadení a sietí sa môže osoba nachádzať v oblasti elektrického poľa alebo v priamom kontakte s elektrickými vodičmi pod napätím. V dôsledku prechodu prúdu cez človeka môže dôjsť k porušeniu jeho životných funkcií.

Nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom sa zvyšuje tým, že po prvé, prúd nemá žiadne vonkajšie znaky a osoba bez špeciálnych zariadení spravidla nemôže vopred zistiť nebezpečenstvo, ktoré mu hrozí; po druhé, vplyv prúdu na človeka vo väčšine prípadov vedie k vážnym porušeniam najdôležitejších životne dôležitých systémov, ako je centrálny nervový, kardiovaskulárny a respiračný, čo zvyšuje závažnosť lézie; po tretie, striedavý prúd môže spôsobiť intenzívne svalové kŕče, čo vedie k neuvoľňovaciemu účinku, pri ktorom sa človek nemôže nezávisle oslobodiť od účinkov prúdu; po štvrté, náraz prúdu spôsobuje u človeka prudkú abstinenčnú reakciu a v niektorých prípadoch stratu vedomia, ktorá môže pri práci vo výškach viesť k zraneniu následkom pádu.

Elektrický prúd prechádzajúci ľudským telom môže mať biologické, tepelné, mechanické a chemické účinky. Biologický účinok je schopnosť elektrického prúdu dráždiť a vzrušovať živé tkanivá tela, tepelný účinok je schopnosť spôsobiť telesné popáleniny, mechanický účinok má viesť k prasknutiu tkaniva a chemický účinok je elektrolýza krvi. .

Vplyv elektrického prúdu na ľudské telo môže spôsobiť úraz elektrickým prúdom. Úraz elektrickým prúdom je úraz spôsobený vystavením elektrickému prúdu alebo elektrickému oblúku. Úrazy elektrickým prúdom sa zvyčajne delia na lokálne a všeobecné. Pri lokálnych úrazoch elektrickým prúdom dochádza k lokálnemu poškodeniu tela, ktoré sa prejavuje elektrickými popáleninami,

elektrické príznaky, metalizácia kože, mechanické poškodenie a elektroftalmia (zápal vonkajších očných membrán). Všeobecné úrazy elektrickým prúdom alebo úrazy elektrickým prúdom vedú k poškodeniu celého organizmu, čo sa prejavuje porušením alebo úplným zastavením činnosti najdôležitejších orgánov a systémov - pľúc (dýchanie), srdca (cirkulácia).

Elektrický šok je excitácia živých tkanív tela elektrickým prúdom, ktorý ním prechádza, sprevádzaný prudkými kŕčovitými kontrakciami svalov vrátane srdcového svalu, ktoré môžu viesť k zástave srdca.

Lokálne elektrické poškodenie sa týka poškodenia kože a svalového tkaniva a niekedy aj väzov a kostí. Patria sem elektrické popáleniny, elektrické znaky, metalizácia kože, mechanické poškodenie.

Elektrické popáleniny sú najčastejším úrazom spôsobeným elektrickým prúdom lokálny vplyv prúd na tkanine. Existujú dva typy popálenín - kontaktné a oblúkové.

Kontaktné popálenie je dôsledkom premeny elektrickej energie na tepelnú energiu a vyskytuje sa najmä v elektrických inštaláciách s napätím do 1 000 V.

Popálenie elektrickým prúdom je akoby núdzový systém, ochrana tela, pretože zuhoľnatené tkanivá pre väčšiu odolnosť ako obyčajná koža neumožňujú elektrine preniknúť hlboko, do životne dôležitých systémov a orgánov. Inými slovami, v dôsledku popálenia sa prúd zastaví.

Keď sú telo a zdroj napätia vo voľnom kontakte, v miestach vstupu a výstupu prúdu sa tvoria popáleniny. Ak prúd prechádza telom niekoľkokrát rôznymi spôsobmi, dochádza k viacnásobným popáleninám.

Viacnásobné popáleniny sa najčastejšie vyskytujú pri napätí do 380 V kvôli tomu, že takéto napätie človeka „magnetizuje“ a odpojenie si vyžaduje čas. Vysokonapäťový prúd nemá takú „lepivosť“.

Naopak, človeka to odhodí, no na vážne hlboké popáleniny stačí takýto krátky kontakt. Pri napätí nad 1 000 V dochádza k úrazu elektrickým prúdom s rozsiahlymi hlbokými popáleninami, pretože v tomto prípade teplota stúpa pozdĺž celej dráhy prúdu.

Na posúdenie nebezpečenstva vystavenia osoby elektrickému prúdu sa prejavujú tri kvalitatívne odlišné reakcie. Ide predovšetkým o pocit, kŕčovitejšie sťahovanie svalov (neuvoľnenie pre striedavý prúd a trvalý bolestivý efekt) a napokon o štiepenie srdca. Elektrické prúdy, ktoré spôsobujú primeranú reakciu, sa delia na hmatateľné, neuvoľňujúce sa a fibrilačné.

Ako sa prúd zvyšuje, tri kvalitatívne odlišné

odozvy. Ide predovšetkým o pocit, kŕčovitejšie sťahovanie

svalov (neuvoľnenie pre striedavý prúd a bolestivý efekt trvalý) a napokon fisrilácia srdca. Elektrické prúdy, ktoré spôsobujú primeranú reakciu, sa delia na hmatateľné, neuvoľňujúce sa a fibrilačné.

Na zaistenie elektrickej bezpečnosti sa používajú tieto technické metódy a prostriedky (často vo vzájomnej kombinácii): ochranné uzemnenie; nulovanie; ochranné vypnutie; vyrovnanie potenciálu; nízke napätie; elektrické oddelenie siete; izolácia častí pod prúdom; ochranné zariadenia; výstražná signalizácia, blokovanie, bezpečnostné značky; elektrické ochranné prostriedky, bezpečnostné zariadenia a pod.

Ochranná zem- úmyselné elektrické spojenie so zemou alebo ekvivalentom kovových častí bez prúdu, ktoré môžu byť pod napätím v dôsledku poškodenia izolácie (GOST 12.1.009-76). Ochranné uzemnenie sa používa v sieťach s napätím do 1000 V s izolovaným neutrálom a v sieťach s napätím nad 1000 V, s izolovaným aj uzemneným neutrálom.

Bezpečnostné vypnutie- ide o vysokorýchlostnú ochranu, ktorá zabezpečuje automatické vypnutie elektrickej inštalácie (nie viac ako 0,2 s) v prípade jej poškodenia, vrátane poruchy izolácie na skrini zariadenia.

Potenciálne vyrovnanie- spôsob znižovania dotykového a krokového napätia medzi bodmi elektrického obvodu, ktorých sa možno súčasne dotýkať alebo na ktorých môže človek súčasne stáť.

Nízke napätie- menovité napätie nie vyššie ako 42 V, používané na zníženie rizika úrazu elektrickým prúdom.

Elektrické oddelenie siete- rozdelenie siete na samostatné, elektricky neprepojené úseky pomocou oddeľovania

transformátor. Ak je vysoko rozvetvená elektrická sieť s

veľká kapacita a nízky izolačný odpor, rozdelené do niekoľkých malých sietí rovnakého napätia, potom budú mať nízku kapacitu a vysoký izolačný odpor. Riziko úrazu elektrickým prúdom sa tak výrazne zníži.

Izolácia v elektrických inštaláciách slúži na ochranu pred náhodným dotykom živých častí. Existujú pracovné, dodatočné, dvojité a zosilnené elektrické izolácie.

Ochranné zariadenia sa používajú na zabránenie dotyku alebo nebezpečného priblíženia sa k živým častiam.

Zámkyširoko používané v elektrických inštaláciách. Sú mechanické, elektrické, elektromagnetické atď. Blokovacie prvky poskytujú úľavu od napätia od častí pod prúdom, keď sa k nim pokúšate dostať pri otváraní plota bez odstránenia napätia.

Sekcie: fyzika

Ciele lekcie.

Návod:

formovanie vedomostí žiakov o podmienkach vzniku a existencie elektrického prúdu.

vyvíja sa:

rozvoj logické myslenie pozornosť, zručnosti využívať nadobudnuté vedomosti v praxi.

Vzdelávacie:

vytváranie podmienok pre prejav samostatnosti, pozornosti a sebaúcty.

Vybavenie.

Galvanické články, batéria, generátor, kompas.
Karty (v prílohe).
Demonštračný materiál (portréty vynikajúcich fyzikov Ampère, Volta; plagáty „Elektrina“, „Elektrické náboje“).

Ukážky:

Pôsobenie elektrického prúdu vo vodiči na magnetickú ihlu.
Prúdové zdroje: galvanické články, batéria, generátor.

Plán lekcie

1. Organizačný moment.

2. otvárací prejav učiteľ.

3. Príprava na vnímanie nového materiálu.

4. Učenie sa nového materiálu.

a) prúdové zdroje;

b) pôsobenie elektrického prúdu;

c) fyzický operát „Kráľovná elektriny“;

d) vyplnenie tabuľky „Elektrický prúd“;

e) bezpečnostné opatrenia pri práci s elektrickými spotrebičmi.

5. Zhrnutie lekcie.

6. Reflexia.

7. Domáce úlohy:

a) Na základe poznatkov získaných na hodinách životnej bezpečnosti, špeciálnych technológií si vypracujte a zapíšte do zošita poznámku „Bezpečnostné opatrenia pri práci s elektrospotrebičmi“

b) Samostatná úloha: Vypracujte správu o využití zdroja energie v bežnom živote a technike.

Zhrnutie lekcie

1. Organizačný moment

Označte prítomnosť žiakov, pomenujte tému hodiny, cieľ.

2. Úvodný prejav učiteľa

Slová elektrina, elektrický prúd poznáme už od raného detstva. Elektrický prúd sa používa v našich domácnostiach, v doprave, vo výrobe, v osvetľovacej sieti.

Ale čo je elektrický prúd, aká je jeho povaha, nie je ľahké pochopiť.

Slovo elektrina pochádza zo slova elektrón, ktoré sa z gréčtiny prekladá ako jantár. Jantár je fosílna živica starých ihličnatých stromov. Slovo prúd znamená tok alebo pohyb niečoho.

3. Príprava na vnímanie nového materiálu

Otázky úvodného rozhovoru.

Aké dva typy nábojov existujú v prírode? Ako spolu interagujú?

Odpoveď: V prírode existujú dva typy nábojov: kladné a záporné.

Pozitívne nosiče náboja sú protóny, negatívne nosiče náboja sú elektróny. Podobne nabité častice sa navzájom odpudzujú, opačne nabité častice sa priťahujú.

Existuje elektrické pole okolo elektrónu?

Odpoveď: Áno, okolo elektrónu je elektrické pole.

Čo sú voľné elektróny?

Odpoveď: Toto sú elektróny najvzdialenejšie od jadra, môžu sa voľne pohybovať medzi atómami.

4. Učenie sa nového materiálu

a) Aktuálne zdroje.

Na stole sú špeciálne zariadenia. Ako sa volajú? Na čo sú potrebné?

Odpoveď: Sú to galvanické články, batéria, generátor – všeobecný názov pre prúdové zdroje. Sú potrebné na dodávanie elektrickej energie, vytváranie elektrického poľa vo vodiči.

Vieme, že existujú nabité častice, elektróny a protóny, vieme, že existujú zariadenia nazývané zdroje prúdu.

b) Pôsobenie elektrického prúdu.

Povedzte mi, ako môžeme pochopiť, že v obvode je elektrický prúd, akými činnosťami?

Odpoveď: Elektrický prúd má rôzne typy pôsobenia:

Tepelný - ohrieva sa vodič, ktorým preteká elektrický prúd (elektrický sporák, žehlička, žiarovka, spájkovačka).
Chemický účinok prúdu možno pozorovať pri prechode elektrického prúdu cez roztok síranu meďnatého - uvoľňovanie medi z roztoku vitriolu, chrómovanie, niklovanie.
Fyziologické - kontrakcie svalov ľudí a zvierat, cez ktoré prešiel elektrický prúd.
Magnetický - keď elektrický prúd prechádza vodičom, ak je v blízkosti umiestnená magnetická ihla, môže sa odchýliť. Táto akcia je hlavná. Preukázanie skúseností: batéria, žiarovka, spojovacie vodiče, kompas.

c) Fyzický operát „Queen Electricity“. (Príloha č. 1)

Teraz vám seniorky predstavia operetu „Kráľovná elektriny“. Nezabudnite na ruské ľudové príslovie „Rozprávka je lož, ale je v nej náznak, poučenie pre dobrých ľudí“. To znamená, že nielen počúvate a sledujete, ale si z toho aj beriete určité informácie. Vašou úlohou je zapísať čo najviac fyzikálnych pojmov, ktoré sa vyskytujú v znázornení.

d) Vyplnenie tabuľky „Elektrický prúd“. (Príloha č. 2)

Povedz mi, ktorý jeden pojem spája všetky výrazy, ktoré si napísal?

Odpoveď: elektrický prúd.

Začnime vypĺňať tabuľku "Elektrický prúd".

Vyplňovaním tabuľky si zhrňme poznatky získané na hodine a získajme nové informácie.

V procese vypĺňania tabuľky dospejeme k záveru, aké podmienky sú potrebné na vytvorenie elektrického prúdu.

Prvou podmienkou je prítomnosť voľných nabitých častíc.
Druhou podmienkou je prítomnosť elektrického poľa vo vnútri vodiča.

e) Bezpečnostné opatrenia pri práci s elektrickými spotrebičmi.

Kde sa v priemyselnej praxi stretávate s využitím elektrického prúdu? Odpovede študentov.

Odpoveď: Pri práci s elektrickými spotrebičmi.

Zakázané.

Choďte po zemi a držte elektrické spotrebiče zapojené do siete. Zvlášť nebezpečné je chodiť naboso po mokrej pôde.
Vstúpte do elektrických a iných elektrických miestností.
Vezmite si zlomené, holé, visiace a ležiace na uzemňovacích drôtoch.
Zatĺkajte klince do steny na mieste, kde sa môžu nachádzať skryté rozvody. V tejto chvíli je smrteľne nebezpečné uzemniť batérie ústredného kúrenia, zásobovanie vodou.
Vŕtanie stien v miestach prípadných elektrických rozvodov.
Maľujte, natierajte, umývajte steny vonkajšími alebo skrytými živými rozvodmi.
Pracujte so zapnutými elektrickými spotrebičmi v blízkosti batérií alebo vodovodných potrubí.
Práca s elektrospotrebičmi, výmena žiaroviek, státie na kúpeľni.
Práca s chybnými elektrickými spotrebičmi.
Opravte pokazené elektrické spotrebiče.

5. Zhrnutie lekcie

Podľa fyzikálnych zákonov sa čas neúprosne posúva vpred a naša hodina dospela k logickému záveru.

Zhrňme si našu lekciu.

Čo je podľa vás elektrický prúd?

Odpoveď: Elektrický prúd je riadený pohyb nabitých častíc.

Aké podmienky sú potrebné na vytvorenie elektrického prúdu?

Odpoveď: Prvou podmienkou je prítomnosť voľných nabitých častíc.

Druhou podmienkou je prítomnosť elektrického poľa vo vnútri vodiča.

6. Reflexia

7. Domáce úlohy

a) Na základe poznatkov získaných na hodinách bezpečnosti života, špeciálnych technológií si vypracujte a zapíšte do zošita poznámku „Bezpečnostné opatrenia pri práci s elektrospotrebičmi“.

b) Samostatná úloha: Vypracujte správu o využití zdroja energie v bežnom živote a technike. (

Elektrický prúd - usporiadaný v smere pohybu elektrických nábojov. Smer prúdu sa považuje za smer pohybu kladných nábojov.

Prechod prúdu cez vodič je sprevádzaný nasledujúcimi činnosťami:

* magnetické (pozorované vo všetkých vodičoch)
* tepelné (pozorované vo všetkých vodičoch okrem supravodičov)
* chemické (pozorované v elektrolytoch).

Pre výskyt a udržiavanie prúdu v akomkoľvek médiu musia byť splnené dve podmienky:

* prítomnosť voľných elektrických nábojov v prostredí
* vytváranie elektrického poľa v prostredí.

Elektrické pole v médiu je potrebné na vytvorenie riadeného pohybu voľných nábojov. Ako viete, náboj q v elektrickom poli o sile E je ovplyvnený silou F = q * E, ktorá núti voľné náboje pohybovať sa v smere elektrického poľa. Znakom existencie elektrického poľa vo vodiči je prítomnosť nenulového rozdielu potenciálov medzi akýmikoľvek dvoma bodmi vodiča,
Elektrické sily však nedokážu udržať elektrický prúd po dlhú dobu. Usmernený pohyb elektrických nábojov po určitom čase vedie k vyrovnaniu potenciálov na koncoch vodiča a následne k zániku elektrického poľa v ňom.

Na udržanie prúdu v elektrickom obvode musia na náboje okrem Coulombových síl pôsobiť aj sily neelektrickej povahy (vonkajšie sily).
Zariadenie, ktoré vytvára vonkajšie sily, udržiava potenciálny rozdiel v obvode a premieňa rôzne druhy energie na elektrickú energiu, sa nazýva zdroj prúdu.
Pre existenciu elektrického prúdu v uzavretom obvode je potrebné do neho zaradiť zdroj prúdu.
Hlavné charakteristiky

1. Intenzita prúdu - I, jednotka merania - 1 A (Ampér).
Intenzita prúdu je hodnota rovnajúca sa náboju pretekajúcemu prierezom vodiča za jednotku času.
I = Dq/Dt.

Vzorec platí pre jednosmerný prúd, pri ktorom sa sila prúdu a jeho smer s časom nemení. Ak sa sila prúdu a jeho smer menia s časom, potom sa takýto prúd nazýva premenlivý.
Pre AC:
I = limDq/Dt ,
Dt - 0

tie. I = q", kde q" je derivácia náboja vzhľadom na čas.
2. Prúdová hustota - j, jednotka merania - 1 A/m2.
Prúdová hustota je hodnota rovnajúca sa sile prúdu pretekajúceho jedným prierezom vodiča:
j = I/S.

4. Odpor vodiča - R, jednotka - 1 ohm.
Pri pôsobení elektrického poľa vo vákuu by sa voľné náboje pohybovali zrýchlenou rýchlosťou. V hmote sa pohybujú v priemere rovnomerne, pretože časť energie sa dáva časticiam hmoty pri zrážkach.

Teória tvrdí, že energia usporiadaného pohybu nábojov je rozptýlená deformáciami kryštálovej mriežky. Na základe povahy elektrického odporu vyplýva, že
R \u003d r * l / S,

kde
l - dĺžka vodiča,
S - plocha prierezu,
r je faktor úmernosti, nazývaný odpor materiálu.
Tento vzorec je dobre potvrdený skúsenosťami.
Interakcia častíc vodiča s nábojmi pohybujúcimi sa v prúde závisí od chaotického pohybu častíc, t.j. na teplote vodiča. To je známe
r = r0(1 + a t),
R = R°(1 + at).

Koeficient a sa nazýva teplotný koeficient odporu:
a = (R - RO)/RO*t.

Pre chemicky čisté kovy a > 0 a rovná sa 1/273 K-1. Pre zliatiny sú teplotné koeficienty menej dôležité. Závislosť r(t) pre kovy je lineárna:

V roku 1911 bol objavený fenomén supravodivosti, ktorý spočíva v tom, že pri teplote blízkej absolútnej nule odpor niektorých kovov prudko klesne na nulu.

Pre niektoré látky (napríklad elektrolyty a polovodiče) sa rezistivita znižuje so zvyšujúcou sa teplotou, čo sa vysvetľuje zvýšením koncentrácie voľných nábojov.
Prevrátená hodnota merného odporu sa nazýva elektrická vodivosť s
s = 1/r

5. Napätie - U, jednotka merania - 1 V.
Napätie je fyzikálna veličina rovnajúca sa práci vykonanej vonkajšími a elektrickými silami pri pohybe jedného kladného náboja.

U \u003d (Ast. + Ael.) / q.

Pretože Ast./q = e a Ael./q = f1-f2, potom
U = e + (f1 - f2).

V rôznych prostrediach sú nositeľmi elektrického prúdu rôzne nabité častice.

Na udržanie prúdu v elektrickom obvode okrem Coulombových síl musia sily pôsobiť na nálože neelektrické príroda (vonkajšie sily).

Zariadenie, ktoré vytvára vonkajšie sily, udržiava potenciálny rozdiel v obvode a premieňa rôzne druhy energie na elektrickú energiu, sa nazýva zdroj prúdu.

Pre existenciu elektrického prúdu v uzavretom obvode je potrebné do neho zaradiť zdroj prúdu.

Hlavné charakteristiky:

1. Prúdová sila - I, jednotka merania - 1 A (Ampér).

Intenzita prúdu je hodnota rovnajúca sa náboju pretekajúcemu prierezom vodiča za jednotku času.

Vzorec (1) platí pre priamy prúd, pri ktorých sa sila a smer prúdu časom nemení. Ak sa sila prúdu a jeho smer menia s časom, potom sa takýto prúd nazýva premenných.

Pre AC:

I = lim Dq/Dt , (*)
Dt - 0

tie. I = q", kde q" je derivácia náboja vzhľadom na čas.

2. Prúdová hustota je j, jednotka merania je 1 A/m 2 .

Prúdová hustota je hodnota rovnajúca sa sile prúdu pretekajúceho jedným prierezom vodiča:

e = st. /q .(3)

4. Odpor vodiča - R, jednotka merania - 1 Ohm.

Teória tvrdí, že energia usporiadaného pohybu nábojov je rozptýlená deformáciami kryštálovej mriežky. Na základe povahy elektrického odporu vyplýva, že

l - dĺžka vodiča,
S - plocha prierezu,
r je faktor úmernosti, nazývaný odpor materiálu.

Tento vzorec je dobre potvrdený skúsenosťami.

Interakcia častíc vodiča s nábojmi pohybujúcimi sa v prúde závisí od chaotického pohybu častíc, t.j. na teplote vodiča. To je známe

r = r 0 (1 + a t), (5)

R \u003d R0 (1 + a t) . (6).

Koeficient a sa nazýva teplotný koeficient odporu:

a \u003d (R - R°) / R°*t.

Pre chemicky čisté kovy a > 0 a rovná sa 1/273 K -1 . Pre zliatiny sú teplotné koeficienty menej dôležité. Závislosť r(t) pre kovy je lineárna:

V roku 1911 bol objavený fenomén supravodivosť, ktorá spočíva v tom, že pri teplote blízkej absolútnej nule odpor niektorých kovov prudko klesne na nulu.

Pre niektoré látky (napríklad elektrolyty a polovodiče) sa rezistivita znižuje so zvyšujúcou sa teplotou, čo sa vysvetľuje zvýšením koncentrácie voľných nábojov.

Prevrátená hodnota merného odporu sa nazýva elektrická vodivosť s

5. Napätie - U, jednotka - 1 V.

Napätie je fyzikálna veličina rovnajúca sa práci vykonanej vonkajšími a elektrickými silami pri pohybe jedného kladného náboja.

U \u003d (A st. + A el.) / q. (8)

Keďže článok A. / q \u003d e a A el. /q \u003d f 1 -f 2, potom

U \u003d e + (f 1 - f 2) .(9)

2. ZÁKONY PRIAMYHO PRÚDU:

Elektrina. Súčasná sila. Ohmov zákon pre časť obvodu. odpor vodiča. Sériové a paralelné pripojenie vodičov. Elektromotorická sila. Ohmov zákon pre úplný obvod. Práca a súčasný výkon.

Akýkoľvek pohyb elektrických nábojov je tzv elektrický šok. Elektróny sa môžu voľne pohybovať v kovoch, ióny vo vodivých roztokoch a elektróny aj ióny môžu existovať v mobilnom stave v plynoch.

Smer pohybu kladných častíc sa zvyčajne považuje za smer prúdu, preto je v kovoch tento smer opačný ako smer pohybu elektrónov.

súčasná hustota- množstvo náboja, ktorý prejde za jednotku času cez jednotku povrchu kolmú na prúdové čiary. Táto hodnota sa označuje ako j a vypočíta sa takto:

Tu n je koncentrácia nabitých častíc, e je náboj každej z častíc, v je ich rýchlosť.

Aktuálne i- množstvo náboja, ktoré prejde za jednotku času celým prierezom vodiča. Ak za čas dt prejde celým prierezom vodiča náboj dq, potom

Iným spôsobom sa sila prúdu zistí integráciou prúdovej hustoty po celom povrchu akejkoľvek časti vodiča. Jednotkou sily prúdu je ampér. Ak je stav vodiča (jeho teplota atď.) stabilný, potom existuje jednoznačný vzťah medzi napätím aplikovaným na jeho konce a prúdom, ktorý v tomto prípade vzniká. To sa nazýva Ohmov zákon a napísané takto:

R- elektrický odpor vodič, v závislosti od druhu látky a od jej geometrických rozmerov. Vodič má jednotkový odpor, v ktorom pri napätí 1 V vzniká prúd 1 A. Táto jednotka odporu sa nazýva ohm.

Ohmov zákon v diferenciálnom tvare:

kde j je prúdová hustota, E je intenzita poľa, s je vodivosť. V tomto zápise Ohmov zákon obsahuje veličiny, ktoré charakterizujú stav poľa v rovnakom bode.

Rozlišovať sériové a paralelné pripojenia vodičov.
Pri sériovom zapojení je prúd pretekajúci všetkými časťami obvodu rovnaký a napätie na koncoch obvodu sa pripočítava ako algebraický súčet stres vo všetkých oblastiach.

Keď sú vodiče zapojené paralelne, napätie zostáva konštantné a prúd je súčtom prúdov pretekajúcich všetkými vetvami. V tomto prípade sa pripočítajú prevrátené hodnoty odporu:

Na získanie jednosmerného prúdu musia na náboje v elektrickom obvode pôsobiť iné sily, ako sú sily elektrostatického poľa; volajú sa vonkajšie sily.

Ak uvažujeme kompletný elektrický obvod, je potrebné do nej zahrnúť pôsobenie týchto síl tretích strán a vnútorný odpor zdroj prúdu r. V tomto prípade Ohmov zákon pre úplný obvod bude mať podobu:

E je elektromotorická sila (EMF) zdroja. Meria sa v rovnakých jednotkách ako napätie. Množstvo (R + r) sa niekedy nazýva impedancia obvodu.

Poďme formulovať Kirkhoffove pravidlá:
Prvé pravidlo: algebraický súčet síl prúdov v úsekoch obvodu zbiehajúcich sa v jednom bode vetvenia sa rovná nule.

Druhé pravidlo: pre akýkoľvek uzavretý obvod sa súčet všetkých poklesov napätia rovná súčtu všetkých EMF v tomto obvode.

Aktuálny výkon sa vypočíta podľa vzorca

P=UI=I2R=U2/R.

Joule-Lenzov zákon. Práca elektrického prúdu (tepelné pôsobenie prúdu) A=Q=UIt=I 2 Rt=U 2 t/R.

Elektronická vodivosť kovov. Supravodivosť. Elektrický prúd v roztokoch a taveninách elektrolytov. Zákon elektrolýzy. Elektrický prúd v plynoch. Samostatné a nesamostatné kategórie. Koncept plazmy. prúd vo vákuu. Elektronické vyžarovanie. Dióda. Katódová trubica.

Elektrický prúd v kovoch je pohyb elektróny, kovové ióny sa nezúčastňujú prenosu elektrického náboja. Inými slovami, kovy majú elektróny, ktoré sa môžu pohybovať cez kov. Dostali meno vodivostné elektróny. kladné náboje v kove sú to ióny, ktoré tvoria kryštálovú mriežku. V neprítomnosti vonkajšieho poľa sa elektróny v kove pohybujú náhodne, pričom dochádza k zrážkam s mriežkovými iónmi. Pod vplyvom vonkajšieho elektrického poľa začnú elektróny usporiadaný pohyb, superponovaný na ich predchádzajúce chaotické fluktuácie. V procese usporiadaného pohybu sa elektróny stále zrážajú s iónmi kryštálovej mriežky. To spôsobuje elektrický odpor.

V klasickej elektrónovej teórii kovov sa predpokladá, že pohyb elektrónov sa riadi zákonmi klasickej mechaniky. Vzájomná interakcia elektrónov sa zanedbáva, interakcia elektrónov s iónmi sa redukuje len na zrážky. Môžeme povedať, že vodivé elektróny sa považujú za elektrónový plyn, podobne ako ideálny atómový plyn v molekulová fyzika. Pretože priemerná kinetická energia na jeden stupeň voľnosti pre takýto plyn je kT/2 a voľný elektrón má tri stupne voľnosti, potom

mv 2 t /2 = 3 kT/2,

kde v 2 t je priemerná hodnota druhej mocniny rýchlosti tepelného pohybu.
Na každý elektrón pôsobí sila rovnajúca sa eE, v dôsledku čoho nadobúda zrýchlenie eE/m. Rýchlosť na konci voľnej cesty je

kde t je priemerný čas medzi zrážkami.

Pretože sa elektrón pohybuje rovnomerným zrýchlením, jeho priemerná rýchlosť je polovičná oproti maximu:

Stredný čas medzi zrážkami je pomer strednej voľnej dráhy k strednej rýchlosti:

Keďže rýchlosť usporiadaného pohybu je zvyčajne oveľa menšia ako tepelná rýchlosť, rýchlosť usporiadaného pohybu bola zanedbaná.

Nakoniec máme

vc =eEL/(2mvt).

Koeficient úmernosti medzi v c a E sa nazýva pohyblivosť elektrónov.

Pomocou klasickej elektrónovej teórie plynov sa dajú vysvetliť mnohé vzorce – Ohmov zákon, Joule-Lenzov zákon a ďalšie javy, ale táto teória nedokáže vysvetliť napr. supravodivosť:
Pri určitej teplote sa rezistivita niektorých látok náhle zníži takmer na nulu. Tento odpor je taký malý, že vybudený elektrický prúd v supravodiči existuje dlhú dobu bez zdroja prúdu. Napriek prudkej zmene odporu sa ostatné charakteristiky supravodiča (tepelná vodivosť, tepelná kapacita a pod.) nemenia alebo menia len málo.

Presnejšou metódou na vysvetlenie takýchto javov v kovoch je prístup využívajúci kvantová štatistika.

Podobné informácie.