Электрическое напряжение

Электрическое напряжение существует тогда когда между двумя точками, например, между полюсами аккумуляторной батареи, имеется некоторая разность между количествами электронов. Величина напряжения зависит от величины разности между количествами электронов. Электрическое напряжение генерируется путем разделения заряда в источнике напряжения (рис. 1).

Рис. 1. Генерирование напряжения путем разделения заряда

На отрицательном полюсе имеется избыточное количество электронов, а на положительном полюсе – недостаточное.

Электроны между отрицательным и положительным полюсами стремятся к равновесию, т.е. при соединении двух полюсов электроны от отрицательного полюса перетекают через нагрузку к положительному полюсу и при этом совершают работу электрического тока (рис. 2).

Рис. 2. Поток электронов в электрической цепи

Электрическое напряжение – это стремление к уравновешиванию различных количеств заряда. Оно является причиной протекания электрического тока.

На соединительных клеммах генератора в состоянии покоя отсутствует напряжение, т.е. свободные электроны в обмотках распределены равномерно, и поэтому обмотки являются электрически нейтральными. Когда генератор приходит в движение, свободные электроны начинают двигаться к отрицательному полюсу; при этом на отрицательном полюсе возникает избыток электронов по сравнению с положительным полюсом, а, значит, – электрическое напряжение.

Единицей напряжения U является вольт (В).

Электрический ток

Причиной возникновения электрического тока является электрическое напряжение.

Электрический ток представляет собой направленное движение свободных электронов.

Цепь электрического тока (рис. 3). Электрический ток может протекать только в замкнутой электрической цепи. Электрическая цепь состоит как минимум из генератора напряжения, нагрузки и проводов. Электрическая цепь может замыкаться или размыкаться с помощью выключателя. В схемах электрических соединений выключатели чаще всего изображаются в выключенном состоянии.

Рис. 3. Электрическая цепь

Предохранители(рис. 4).Предохранители включаются в электрическую цепь. Предохранители для защиты распределительных электросетей защищают провода от перегрузки и короткого замыкания. Предохранители для защиты электроприборов защищают отдельные приборы, например, блоки управления, радиоприемники в случае каких-либо дефектов.

Рис. 4. Плавкие предохранители в автомобиле

Электронная электропроводимость(рис. 5). Возникает во всех электрических проводниках, состоящих из какого-либо металла. Атомы металла отдают электроны. Эти «свободные» электроны легко перемещаются между прочно закрепленными атомами атомной решетки металла. При замыкании электрической цепи все свободные электроны проводника и нагрузки одновременно приводятся в направленное движение под воздействием поданного напряжения. По цепи протекает электрический ток.

Рис. 5. Направленное движение свободных электронов

Ионная электропроводимость(рис. 1). Обеспечивает передачу тока посредством направленного движения заряженных частиц материала (ионов). При этом положительные ионы называются катионами, так как они движутся к отрицательному электроду, катоду. Отрицательные ионы называются анионами, так как они движутся к положительному электроду, аноду.

Ионными проводниками являются химические соединения, которые расщепляются на положительные и отрицательные составные элементы.

Расщепление газов на отрицательные и положительные частицы вещества называется ионизацией. Она может быть вызвана воздействием облучения, нагрева или электрических полей.

При ионизации воздушно-топливной смеси в воздушном зазоре между электродами свечи зажигания под воздействием сильного электрического поля смесь становится электропроводной, и через неё проскакивает искра (рис. 1).

Рис. 1. Ионизация в свече зажигания

Направление тока

Направление электронного тока. На отрицательном полюсе источника напряжения существует избыток электронов, а на положительном полюсе – их недостаток. Если соединить отрицательный полюс источника напряжения с его положительным полюсом через какую-либо нагрузку, то во внешней электрической цепи электроны будут течь от отрицательного полюса источника напряжения к его положительному полюсу через нагрузку (рис. 2).

Рис. 2. Аккумуляторная батарея в качестве насоса электронов

Техническое направление тока. Из-за незнания направления электронного тока за направление тока в электротехнике было принято направление тока от положительного полюса к отрицательному (рис. 2).

Сила тока I. Под силой тока понимается количество электронов, протекающих за одну секунду через поперечное сечение проводника.

Единицей силы тока I является ампер (A).

Плотность тока J. Под плотностью тока понимается ток, протекающий через один квадратный миллиметр площади поперечного сечения A проводника.

Допустимая плотность тока в проводниках зависит в частности от способности поверхности проводника к охлаждению (таблица 1). У тонких проводов отношение площади поверхности к площади поперечного сечения больше, чем у толстых проводов, поэтому через 1 мм² площади их поперечного сечения может протекать больший ток.

Таблица 1

Виды тока

Постоянный ток (DC¹, символ –). В электрической цепи с постоянным напряжением и сопротивлением протекает постоянный ток, когда в ней каждую секунду в одном и том же направлении движется равное количество электронов (рис. 3).

Рис. 3. Постоянный ток

Переменный ток (AC², символ~).В электрической цепи с постоянным напряжением и сопротивлением протекает переменный ток, когда свободные электроны в ней движутся в обоих направлениях на одно и то же расстояние (рис. 4).

Рис. 4. Переменный ток

¹⁾ DC от Direct Current (англ.) = постоянный ток

²⁾ AC от Alternating Current (англ.) = переменный ток