Постоянный электрический ток

Что такое постоянный электрический ток

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. В металлах такими частицами являются свободные электроны, в электролитах — ионы, в газах — ионы и электроны. Если направление движения зарядов не меняется со временем, ток называют постоянным. Такой ток создаётся источниками постоянного напряжения: батарейками, аккумуляторами, выпрямителями.

За направление тока условно принято направление движения положительных зарядов. В металлах электроны движутся от минуса к плюсу, но исторически направление тока выбрано от плюса к минусу.

Сила тока

Основная характеристика тока — сила тока (I). Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени:

I = q / t,

где q — заряд (Кл), t — время (с). Единица измерения силы тока — ампер (А). 1 А = 1 Кл/с.

Если сила тока и его направление не изменяются, ток постоянный. Для измерения силы тока используют амперметр, который включают в цепь последовательно.

Пример

Через проводник за 5 с прошёл заряд 10 Кл. Сила тока:
I = 10 Кл / 5 с = 2 А.

Электрическое напряжение

Чтобы ток существовал, необходимо электрическое поле, которое совершает работу по перемещению зарядов. Работа тока на участке цепи равна:

A = qU,

где U — напряжение. Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда:

U = A / q.

Единица напряжения — вольт (В). 1 В = 1 Дж/Кл. Напряжение измеряют вольтметром, включаемым параллельно участку цепи.

Сопротивление и закон Ома

Электрическое сопротивление (R) — это свойство проводника препятствовать прохождению тока. Единица сопротивления — ом (Ом). Сопротивление зависит от материала, длины и площади поперечного сечения проводника:

R = ρ * l / S,

где ρ — удельное сопротивление (Ом·мм²/м), l — длина (м), S — площадь поперечного сечения (мм²).

Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:

I = U / R.

Это основной закон для расчёта простых цепей.

Пример

К резистору сопротивлением 5 Ом приложено напряжение 10 В. Сила тока:
I = 10 В / 5 Ом = 2 А.

Последовательное и параллельное соединение

Последовательное соединение

При последовательном соединении элементы включены друг за другом, ток через все элементы одинаков:

I = I₁ = I₂ = …

Общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных элементах:

U = U₁ + U₂ + …

Общее сопротивление:

R = R₁ + R₂ + …

Параллельное соединение

При параллельном соединении элементы подключены к одним и тем же точкам, напряжение на них одинаково:

U = U₁ = U₂ = …

Общая сила тока равна сумме токов в ветвях:

I = I₁ + I₂ + …

Общее сопротивление находится из формулы:

1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …

Для двух резисторов:

R = (R₁ * R₂) / (R₁ + R₂).

Работа и мощность постоянного тока

Работа электрического тока на участке цепи:

A = U * I * t.

Если использовать закон Ома, можно получить другие формулы:

A = I² * R * t,
A = U² / R * t.

Мощность тока — работа в единицу времени:

P = A / t = U * I.

Единица мощности — ватт (Вт). 1 Вт = 1 Дж/с.

Пример

Лампа работает при напряжении 220 В и силе тока 0,5 А. Мощность лампы:
P = 220 В * 0,5 А = 110 Вт.

Закон Джоуля-Ленца

При прохождении тока проводник нагревается. Количество теплоты, выделяемое в проводнике, определяется законом Джоуля-Ленца:

Q = I² * R * t.

Эта формула важна для расчёта нагревательных приборов и предохранителей.

Электродвижущая сила и закон Ома для полной цепи

Для поддержания тока в замкнутой цепи необходим источник тока, обладающий электродвижущей силой (ЭДС). ЭДС (ε) равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника.

Закон Ома для полной цепи: сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

I = ε / (R + r),

где R — внешнее сопротивление, r — внутреннее сопротивление источника.

Напряжение на внешнем участке:
U = ε - I * r.

Пример

Батарейка с ЭДС 4,5 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом замкнута на резистор 4 Ом. Сила тока:
I = 4,5 В / (4 Ом + 0,5 Ом) = 1 А.
Напряжение на резисторе:
U = 1 А * 4 Ом = 4 В.

Короткое замыкание

Если внешнее сопротивление R становится очень малым (близким к нулю), сила тока резко возрастает. Это явление называется коротким замыканием. Ток короткого замыкания:

Iкз = ε / r.

Он может быть опасен: провода нагреваются, возможен пожар. Для защиты используют предохранители и автоматические выключатели.

Практическое значение

Понимание постоянного тока необходимо для расчёта электрических цепей, подбора проводов, предохранителей, расчёта энергопотребления. Законы постоянного тока лежат в основе работы множества устройств: от фонарика до сложной электроники.

Итоги

• Постоянный ток — направленное движение зарядов, не меняющееся со временем.
• Сила тока I = q/t, измеряется в амперах.
• Напряжение U = A/q, измеряется в вольтах.
• Закон Ома для участка цепи: I = U/R.
• Последовательное соединение: I одинаков, U складывается, R складывается.
• Параллельное соединение: U одинаково, I складывается, 1/R = 1/R₁ + 1/R₂.
• Работа тока A = U I t, мощность P = U I.
• Закон Джоуля-Ленца: Q = I² R t.
• Закон Ома для полной цепи: I = ε/(R + r).

Эти знания помогут решать задачи и понимать принципы работы электрических устройств.