Большинство электрических процессов протекают в проводах в соответствии с законами Ома. В соответствии с проверенными временем формулами подтверждено, что сила тока в проводниках напрямую зависит от напряжения в сети, а также нагрузки, создаваемой сопротивлением.
Точного и однозначного ответа на вопрос, как увеличить силу тока, дать нельзя. Фактически величина эта зависит от целого ряда параметров. Но чтобы более глубоко разобраться с проблематикой вопроса, предлагаем немного вспомнить основы электротехники.
Сила тока как один из параметров электрической цепи
Прежде чем попытаться разобраться и узнать, как увеличить силу тока в цепи, а также понять, можно ли это сделать практически, необходимо понять, что из себя представляет электрический ток. Фактически – это направленное, упорядоченное движение в одном направлении заряженных частиц, находящихся внутри проводника. Обязательным условием для обеспечения такого движения является наличие замкнутого контура.
Внутри проводника движутся положительно заряженные электроны и свободные ионы. Важно понимать, что такое движение не обходится без сопутствующих физических явлений и процессов, а именно – нагревание проводника, а также химическое воздействие на материал.
Что такое сила тока и напряжение
Погружаться глубоко в физику мы не будем, а разберемся в самом принципе электрического тока.
Электрический ток — это упорядоченное движение, заряженных частиц (как положительных, так и отрицательных, в зависимости от вещества)
.
Какие именно частицы движутся? В проводниках, (медь, алюминий, золото, железо и т.д.) это электроны, в электролитах — ионы, в электронно-дырочной системе (в полупроводниках) — электроны и дырки (положительно заряженные частицы). Электрон – отрицательно заряженная частица, которая вращается вокруг ядра атома. Поэтому, в проводниках движутся отрицательно заряженные частицы – электроны.
Движутся электроны в проводнике на самом деле не от плюса к минусу, как принято считать, а от минуса к плюсу, потому, что разноименные заряды отталкиваются.
У некоторых атомов электроны свободны и могут перемещаться к другому атому. Атомы разных веществ могут испытывать недостаток электронов или их избыток. Тогда при контакте этих веществ, электроны атомов одного вещества, у которых имеется избыток электронов, будут перемещаться в атомы другого вещества, имеющих недостаток электронов. Вместо перемещенного электрона приходит новый электрон, от соседнего атома. И этот процесс будет проходить до тех пор, пока у этих двух веществ заряды не станут равными. Данный процесс и есть
электрический ток.
В переменном электрическом токе направление движения заряженных частиц постоянно меняется, например, в сети 220 Вольт в России оно меняется 50 раз в секунду (с частотой 50 Герц).
Характеризуется электрический ток силой тока. Сила тока – это количество заряженных частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Единица измерения – Ампер.
Напряжение – характеризует разность потенциалов двух точек в электрическом поле. Единица измерения – Вольт.
Аналогия с водой.
Что же такое электрический ток, а что есть напряжение? Для ответа на этот вопрос и полного понимания, лучше привести аналогию. Аналогию, которую я вам хочу привести, много раз приводили в интернете, она основана на воде. Так как с водой мы имеем дело каждый день, эта аналогия будет более понятной.
Итак, проведем эксперимент. Возьмем два сосуда, установленных на одном уровне, и соединенных одним шлангом.
Нальем в один сосуд воды, а второй оставим пустым. Вода начнет течь по шлангу из сосуда с водой протекать в пустой сосуд. Разность уровней в сосудах, в нашей аналогии и есть напряжение, или разность потенциалов.
Количество воды, проходящее через сечение шланга в единицу времени, это будет силой тока.
Если мы поменяем шланг, на другой, с меньшим внутренним диаметром (или зажмем шланг на половину), и повторим опыт, то мы увидим, что вода из одного сосуда в другой будет перетекать дольше. Для данного опыта можно использовать секундомер. Внутренний диаметр (сечение) шланга в нашей аналогии, будет сопротивлением.
Чем меньше диаметр шланга, тем больше сопротивление, и соответственно меньше сила тока.
В тот момент, когда уровни воды в сосудах станут равными (разность потенциалов равна нулю), то сила тока станет нулевой.
От каких других параметров зависит сила тока в проводнике в конкретный момент времени?
I в цепи повысить можно (теоретически) меняя целый ряд других параметров, таких как:
- Сопротивление. Зависимость между параметрами здесь обратно пропорциональная. Уменьшение R (измеряется в Ом) приводит к автоматическому увеличению тока.
- Напряжение. Если рассматривать ситуацию с точки зрения практического действия закона Ома, т получается, если увеличить напряжение, то сила тока тоже возрастет.
Это основные параметры. Кроме них, на исследуемый параметр влияние оказывают такие факторы, как напряженность магнитного поля и число витков катушки (прямая зависимость). Непосредственное воздействие на величину тока также происходит при изменении мощности передаваемого на ротор усилия.
Необходимо учесть и диаметр проводников, используемых в собранной замкнутой электрической цепи. При недостаточном размере повышается риск перегрева проводника и, как следствие, перегорания. Также учитываются и основные параметры генератора (величина рабочего тока, диапазон напряжения и частоты, а еще – скорость вращения ротора).
Повышение силы тока в цепи: несколько возможных вариантов действий
У различных категорий пользователей достаточно часто возникают такие ситуации, при которых необходимо внести определенные изменения в параметры действующей. Ранее собранной и апробированной сети. Увеличить силу постоянного тока, протекающего в замкнутом контуре той или иной цепи можно, есть даже несколько различных вариантов и способов практических действий. Но при этом важно понимать – сделать это безопасно удастся только в том случае, если обеспечить принятие мер по защите электроприборов. Для этого потребуется использовать ряд специальных устройств.
1 способ
Самое простое решение задачи – увеличение подаваемого на вход в цепь напряжения. Так, например, если в цепи с сопротивлением в 20 Ом установлено напряжение 3 вольта, то сила тока здесь по закону Ома, составляет 0,15 А. Если ввести в цепь дополнительное устройство, еще один источник питания с тем же U = 3В, то и сила тока возрастет вдвое и составит 3А.
2 способ
Уменьшение сопротивления. Если в цепи снизить нагрузку вдвое, с 2 Ом до 1 Ом, то получим следующий результат: 2 В: 1 Ом = 2 А. Таким образом, удвоение происходит автоматически на аналогичную величину (если в цепи нет других источников, потребителей и устройств, способных оказывать воздействие на эффективность функционирования цепи и ее параметры). Естественно, если увеличить сопротивление, то сила тока уменьшится.
3 способ
Меняем параметры проводников. Для этого потребуется собрать цепь, в которую войдут: источник, потребитель и провода. Параметры проводников также играют важную роль в формировании силы тока в цепи. Сначала необходимо понять, из каких материалов сделаны исходные проводники, по специальным таблицам, зная размер сечения, можно установить точные показатели. Увеличение тока можно обеспечить путем снижения сопротивления, а для этого можно подобрать проводники, изготовленные их других металлов.
Также можно регулировать параметры, укорачивая длину имеющихся проводников. Если увеличить вдвое силу тока не получается, то кроме изменения параметров проводников потребуется принять другие решения, из числа тех, что были описаны выше.
Также можно увеличить поперечное сечение проводника, что приведет к параллельному росту тока.
Интересный вариант действий по увеличению силы постоянного тока при помощи магнита, для чего необходимо изменить, увеличить показатели магнитной индукции поля, внутри которого располагается этот проводник.
§ 16. Закон Ома
Соотношение между э. д. с., сопротивлением и силой тока в замкнутой цепи выражается законом Ома, который может быть сформулирован так: сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению всей цепи
. Ток в цепи протекает под действием э. д. с.; чем больше э. д. с. источника энергии, тем больше и сила тока в замкнутой цепи. Сопротивление цепи препятствует прохождению тока, следовательно, чем больше сопротивление цепи, тем меньше сила тока. При постоянном сопротивлении цепи сила тока в ней прямо пропорциональна э. д. с. Закон Ома можно выразить следующей формулой:
(22)
или
E = I
(
r
+
r
0), (23)
где r
— сопротивление внешней части цепи;
r
0 — сопротивление внутренней части цепи. Для выражения малых токов вместо ампера применяют миллиампер (
ма
); 1
а
= 1000
ма
. Из формулы (23) можно определить сопротивление всей цепи:
Если под действием э. д. с. в один вольт в замкнутой цепи протекает сила тока величиной в один ампер, то сопротивление такой цепи равно одному ому, т. е.
Закон Ома справедлив не только для всей цепи, но и для любого ее участка. Мы будем иметь в виду такой участок цепи, который не содержит источника энергии. В пределах этого участка положительные заряды перемещаются из точек более высокого потенциала к точкам более низкого потенциала. Генератор затрачивает известную энергию, поддерживая разность потенциалов между началом и концом этого участка. Эта разность потенциалов является напряжением между началом и концом рассматриваемого участка. Таким образом, применяя закон Ома для участка цепи, заменим в формулах (22) и (23) э. д. с. напряжением между началом и концом этого участка U
, а сопротивление всей цепи (
r
+
r
0) — сопротивлением рассматриваемого участка
r
. Следовательно, для участка электрической цепи формула, выражающая закон Ома, примет следующий вид:
Другими словами, закон Ома можно сформулировать так: сила тока на участке электрической цепи равна напряжению между концами этого участка, деленному на его сопротивление
. Из формулы (24) следует, что
U = I r
,
т. е. напряжение на участке цепи равно произведению силы тока на сопротивление этого участка. Возвращаясь к формуле (23) и раскрывая скобки, получим:
E = I r + I r
0, (25)
где I r
— падение напряжения в сопротивлении
r
, т. е. во внешней части цепи, или, иначе, напряжение на зажимах источника энергии (генератора)
U
;
i r
0 — падение напряжения в сопротивлении
r
0, т. е. внутри источника энергии (генератора); оно определяет часть э. д. с., которая расходуется на прохождение тока через внутреннее сопротивление источника энергии. Формулу (25) перепишем в следующем виде:
E = U + I r
0. (26)
Из формулы (26) следует, что напряжение на зажимах источника энергии (генератора) равно разности между э. д. с. и падением напряжения во внутреннем сопротивлении этого источника:
U = E — I r
, (27)
При холостом ходе внешняя цепь разомкнута и тока в цепи нет, вследствие чего напряжение на зажимах источника энергии равно его э. д. с. При замкнутой цепи напряжение не равно э. д. с., причем чем больше сила тока в цепи, тем больше напряжение отличается от э. д. с. Если уменьшать сопротивление внешней цепи r
, то сопротивление всей цепи
r
+
r
0 также понизится, а сила тока в цепи, как это видно из формулы (22), увеличится. С повышением силы тока падение напряжения внутри источника энергии (
I r
0) возрастет, так как внутреннее сопротивление
r
0 источника энергии остается неизменным. Следовательно, из формулы (27) вытекает, что с уменьшением сопротивления внешней цепи напряжение на зажимах источника энергии также уменьшается. Если зажимы источника энергии соединить проводником с сопротивлением, практически равным нулю, то формула (22) для этого случая примет следующий вид:
Это выражение определяет наибольший ток, который может быть получен в цепи данного источника. Если сопротивление внешней цепи практически равно нулю, то такой режим называется коротким замыканием
источника энергии. Для источников энергии с малым внутренним сопротивлением, например для электрических генераторов (электромашин) и кислотных аккумуляторов, короткое замыкание весьма опасно — оно может вывести из строя эти источники. Так, например, батарея кислотных аккумуляторов (типа С-1) с э. д. с. 220
в
имеет внутреннее сопротивление 0,5
ом
. При коротком замыкании такой батареи сила тока
Так как для приведенного типа аккумулятора при нормальном (десятичасовом) разряде сила тока составляет 3,6 а
, то сила тока в 440
а
является безусловно опасной для целости батареи. Короткое замыкание возникает относительно часто, например вследствие порчи изоляции проводов, соединяющих приемник с источником энергии. Не имея изолирующего покрова, металлические (обычно медные или алюминиевые) линейные провода при взаимном соприкосновении образуют весьма малое сопротивление, которое по сравнению с сопротивлением приемника может быть принято равным нулю. Для защиты электротехнической аппаратуры от токов коротких замыканий применяют различные предохранительные устройства. Для измерения силы тока в цепи используется прибор, называемый амперметром (миллиамперметром). Напряжение, как указывалось выше, измеряется вольтметром. Условное обозначение амперметра и вольтметра показано на рис. 15, а.
Для включения амперметра цепь тока разрывают и в месте разрыва концы проводов присоединяют к зажимам амперметра (рис. 15, б). Таким образом через прибор проходит весь измеряемый ток; такое включение называется последовательным
. Вольтметр подключают к началу и концу участка цепи; такое включение вольтметра называется
параллельным
. Вольтметр показывает падение напряжения на данном участке. Если вольтметр подключить к началу внешней цепи — положительному полюсу источника энергии и к концу внешней цепи — отрицательному полюсу источника энергии, то он покажет падение напряжения во всей внешней цепи, которое является в то же время напряжением на зажимах источника энергии.
предыдущая страница
| оглавление | следующая страница |
