Электрическое поле, ток и его источники

В природе существуют два рода электрических зарядов – положительные и отрицательные. Носителями отрицательных зарядов являются электроны, положительных – протоны. Заряды электрона и протона равны по величине элементарному заряду e и противоположны по знаку. За единицу измерения заряда (в международной системе СИ) принят кулон.

Каждый заряд создает вокруг себя электростатическое поле, соответственно, между электрически заряженными телами действуют силы. Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, разноименные – притягиваются. Силовой характеристикой электрического поля является напряженность поля E, а энергетической – потенциал φ. Разность потенциалов между двумя точками электрического поля называется напряжением: U = φ1 – φ2, которое в системе СИ измеряется в Вольтах.

Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. За положительное направление постоянного тока условно принимают направление движения положительно заряженных частиц. Постоянным называется ток, который не меняет своего направления с течением времени. Силой тока I или просто током в момент времени t называется отношение I = Δq / Δt, где Δq – заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время Δt. Величина тока измеряется в единицах Ампер.

Напряжение U между двумя произвольными точками электрической цепи – это разность потенциалов между этими точками. Иногда напряжение на участке цепи называют падением напряжения.

Для участка однородной цепи, где не действуют сторонние силы, справедлив закон Ома. «Ток, протекающий в участке цепи прямо пропорционален напряжению U, приложенному к участку и обратно пропорционален сопротивлению участка R»: I = U / R.

Сопротивление проводника постоянного сечения, выполненного из однородного материала определяется соотношением R= ρ l/ S, где l – длина проводника, S– площадь поперечного сечения. Коэффициент пропорциональности ρназывается удельным сопротивлением, он характеризует свойства материала и не зависит от формы и размеров проводника. С увеличением температуры удельное сопротивление большинства металлов увеличивается.

Переменный ток.

В случае, если величина тока изменяется с течением времени, то такой ток называют переменным. Чаще всего переменный ток изменяется во времени в соответствии с синусоидальным законом (см. рисунок 5.1.а.) – т.е. i= I_m·sin(ω·t). Величина I_m называется амплитудой и представляет собой максимальное значение, которое может принимать ток, ω- циклическая частота. Циклическая частота ω, линейная частота f и период Т (время между двумя соседними равными значениями тока в синусоиде-Рисунок 5.1.а) связаны между собой соотношением ω = 2·π·f = 2·π / T. Частота f в системе СИ измеряется в Герцах .Для сетей РФ и большинства других странf= 50 Гц.

Рисунок 5.1.а- График зависимости величины переменного тока от времени

Источники тока.

Особенностью постоянного тока является возможность его непосредственного получения с помощью химических и тепловых генераторов. Источником электрического тока называется устройство, поддерживающее разность потенциалов на концах электрической цепи. Это происходит за счет работы сторонних сил, т.е. сил неэлектрической природы.

Переменный ток, в основном, получают с помощью генераторов. Генератор – это преобразователь механической энергии в электрическую. Он представляет собой электрическую машину, основными элементами которой являются подвижная часть (ротор) и неподвижная часть (статор). Ротор, вращаясь за счет механической энергии, создает на выводах статора электрическую энергию (ток).

Источниками механической энергии могут служить вода, ветер, полезные ископаемые. Принцип работы генераторов основан на явлении электромагнитной индукции – в любом замкнутом контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. В проводящем контуре ЭДС индукции приводит к появлению индукционного тока. Простейшие модели, поясняющие принципы работы и отличия генераторов переменного и постоянного тока представлены на рисунках 5.1.б-в соответственно.

Рисунок 5.1.б - Генератор переменного тока	Рисунок 5.1.в - Генератор постоянного тока

Основными элементами конструкции генераторов являются: индуктор – магнит или электромагнит, создающий магнитное поле, якорь – обмотка, в которой при изменении магнитного потока возникает индукционная ЭДС и щетки – подвижные контакты для снятия тока с вращающейся части генератора. Вращающаяся часть генератора называется ротором, неподвижная – статором. При вращении витка в магнитном поле (рисунок 5.1.б) пронизывающий его магнитный поток все время изменяется, а, следовательно, в витке возникает индукционная ЭДС, которая является переменной по величине. Таким образом, ток, получаемый от индукционного генератора, является переменным. Генератор постоянного тока (рисунок 5.1.в) представляет собой обычный индукционный генератор, снабженный коллектором – специальным устройством, дающим возможность превратить переменное напряжение на щетках генератора в постоянное (по знаку, но не величине). При каждом полуобороте рамки концы ее переходят с одной щетки на другую. Направление индуцированного в рамке тока также меняется при каждом полуобороте рамки, поэтому, если переключения в коллекторе происходят в те же моменты времени, когда меняется направление тока в рамке, то одна из щеток всегда будет являться положительной клеммой, а другая – отрицательной. Напряжение на клеммах генератора хоть и является прямым, т.е. не меняет своего направления, но по величине все время пульсирует от нуля до максимального значения. Чтобы сгладить эти пульсации и сделать напряжение не только прямым, но и постоянным по величине, якорь генератора составляют из большого числа отдельных катушек или секций, сдвинутых на определенный угол друг относительно друга. Схема генератора изображена на рисунке 5.3.б.