Постоянный ток

Постоянным током называется электрический ток, который не изменяется во времени по направлению. Источниками постоянного тока являются гальванические элементы, аккумуляторы и генераторы постоянного тока.

Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление тока считают противоположным направлению движения этих частиц.

Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока.

Сила тока - это количество электрического тока q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Если за время через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества q, то сила тока

Единица измерения силы тока - ампер (А).

Плотностью тока (А/мм²) называют отношение силы тока I к площади поперечного сечения F проводника:

В замкнутой электрической цепи ток возникает под действием источника электрической энергии, создающего и поддерживающего на своих зажимах разность потенциалов, которая измеряется в вольтах (В).

• Сопротивление. Важной характеристикой электрической цепи служит сопротивление: от его значения зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Сопротивление проводника представляет собой своеобразную меру противодействия проводника протеканию в нем электрического тока. Электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом). Широко используется и величина, обратная сопротивлению (1/Ом), которая называется проводимостью.

Сопротивление зависит от материала проводника, его длины l и площади поперечного сечения F, т. е.

где ρ - удельное сопротивление проводника.

Удельное сопротивление в единицах SI (СИ) численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток проходит между двумя противоположными гранями куба. Сопротивление проводников изменяется при изменении их температуры. С повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается. Сопротивление угля, растворов и расплавов солей и кислот уменьшается с повышением температуры.

Обозначая через R₀ сопротивление проводника при температуре 0°C, получим для сопротивления при любой температуре формулу

, где α - термический коэффициент сопротивления, показывающий относительное приращение удельного сопротивления при нагревании проводника на 1°С. Это свойство использовано в проволочных датчиках температуры.

• Закон Ома. Зависимость между разностью потенциалов (напряжением) на зажимах электрической цепи, сопротивлением и током в цепи выражается законом Ома. Согласно закону Ома для участка однородной цепи сила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения, т. е.

, где U - напряжение на зажимах цепи, В; R - сопротивление, Ом; I - сила тока, А.

• Соединения. На практике применяют параллельное, последовательное и смешанное соединения элементов электрических цепей. При параллельном соединении элементов, например резисторов, выводы их соединяют в общие узловые точки и каждый резистор оказывается включенным на напряжение, приложенное к узловым точкам А и В (рис. 1). Общее сопротивление цепи определяют по формуле

При последовательном соединении элементы электрических цепей включаются один за другим, т. е. начало последующего соединяют с концом предыдущего (рис. 2). Электрический ток в цепи с последовательным соединением одинаков во всех элементах.

Рис. 1   Параллельное соединение проводников

Рис. 2   Последовательное соединение проводников

Общее сопротивление цепи при последовательном соединении резисторов рассчитывают по формуле

Формулы, приведенные выше, можно применять для расчета общего сопротивления любого числа резисторов; соединенных параллельно или последовательно.

• Мощность. Работа, совершаемая электрическим током в единицу времени (секунду), называется мощностью; обозначается буквой P. Эта величина характеризуется интенсивностью совершаемой током работы. Мощность определяют по формуле

Единицей измерения мощности служит ватт (Вт). Ватт - это мощность, при которой за секунду равномерно производится работа в один джоуль. Тогда формула, приведенная выше, может быть записана следующим образом:

Кратные единицы мощности: киловатт - 1 кВт=1000 Вт и мегаватт - 1 МВт=1000000 Вт.

Единица измерения электрической энергии - киловатт-час (кВт·ч) - представляет собой работу, совершаемую при постоянной мощности в 1 кВт в течение 1 ч.

Выражение мощности электрического тока можно преобразовать, заменив на основании закона Ома напряжение U = IR. В результате получим три выражения мощности электрического тока

Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока.

• Электрический ток, протекая через проводник, нагревает его. Количество тепла, выделяющегося в проводнике, определяют по формуле

Эта зависимость называется законом Джоуля—Ленца.

Провода, как правило, имеют электрическую изоляцию, которая ухудшает условия охлаждения токоведущей жилы. Кроме того, изоляция в зависимости от вида материала, из которого она изготовлена, может выдержать определенную (допустимую) температуру нагрева. Число проводов и способ их прокладки также значительно, влияют на условия их охлаждения.

При проектировании электрических проводок выбирают такие сечения и марки проводов, чтобы их температура не превышала допустимых значений. Минимальное для данной силы тока сечение провода определяют по таблице длительных допустимых токовых нагрузок на провода и кабели. Эти таблицы приводятся в электротехнических справочниках и в "Правилах устройства электроустановок" (ПУЭ).

• Короткое замыкание. На основании закона Ома и закона Джоуля-Ленца можно проанализировать явление, которое возникает при непосредственном соединении между собой проводников, подводящих электрический ток к нагрузке. При этом ток протекает более коротким путем, минуя нагрузку (короткое замыкание).

На рис. 3 приведена схема включения электрической лампы накаливания в электрическую сеть. Если сопротивление этой лампы R=484 Ом, а напряжение сети U=220 В, то ток в цепи лампы в соответствии с уравнением I = U/R = 220/484 = 0,455 А.

Рис. 3   Схема, поясняющая возникновение короткого замыкания (Ст - стальной стержень)

Рассмотрим случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, оказываются соединенными через очень малое сопротивление, например толстый металлический стержень. В этом случае ток цепи, проходя к точке А, разветвляется по двум путям: одна, большая его часть, пойдет по пути с малым сопротивлением - металлическому стержню, а другая, небольшая, часть тока, - по пути с большим сопротивлением - лампе накаливания.

Определим ток, протекающий по металлическому стержню с сопротивлением R=0,01 Ом, I=U⁄R=220⁄0,01=22000 А.

В действительности при коротком замыкании напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большое падение напряжения и поэтому ток протекающий по металлическому стержню, будет несколько меньше, но он будет во много раз превышать ток, который ранее протекал по цепи.

В соответствии с зависимостью Q=I²Rt ток, проходя по проводам, выделяет тепло, и провода нагреваются. В нашем примере сечение проводов было рассчитано на небольшой ток - 0,455 А. При соединении проводов более коротким путем, минуя нагрузку, по цепи протекает очень большой ток - 22000 А. Такой ток вызовет выделение громадного количества тепла, что приведет к обугливанию и возгоранию изоляции проводов, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и т. п. Источник электрической энергии, питающий такую цепь, также может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар.

Каждая электрическая проводка рассчитана на определенный для нее ток. Аварийный режим работы цепи, когда из-за уменьшения ее сопротивления ток в ней резко возрастает по сравнению с нормальным, называется коротким замыканием.

• При монтаже и эксплуатации электрических установок во избежание опасных последствий короткого замыкания необходимо соблюдать следующие условия:

• изоляция проводов должна соответствовать напряжению сети и условиям работы;
• сечение проводов должно быть таким, чтобы нагревание их при нормальной нагрузке не достигало опасного значения;
• проложенные провода должны быть защищены от механических повреждений;
• места соединений и ответвлений должны быть так же хорошо изолированы, как и провода;
• через стены, потолки и полы провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от механических и химических повреждений, сырости и были удалены друг от друга.

Во избежание внезапного опасного увеличения тока в электрической цепи при ее коротком замыкании цепь защищают предохранителями и автоматическими выключателями.