Провідники і процеси провідності

Струм і провідники. Електричний струм - це рух найдрібніших, невидимих навіть під мікроскопом частинок - електронів. Як вода, так і електрони можуть рухатися тільки в тому випадку, коли для них є прямий і зворотний шлях. Надходить з водонасосной станції вода тече через водопровід до крана (вентиля), потім через злив і каналізацію надходить на поля зрошення, де випаровується (рис. 124). У вигляді дощу вона поповнює озера і річки, з яких насосні станції знову забирають воду і після очищення перекачують її в водопровід.

Якщо спробувати змусити працювати насос з двома закритими трубами, як показано на малюнку 125, то ніякого струму води не буде, так як для неї немає замкненого кола. Так само йде справа і з електричним струмом. Його відбирають від генератора (на електростанції), батареї (в кишеньковому ліхтарику) або акумулятора (в транспорті).

З одного полюса названих джерел струму він тече (рис. 126) по провіднику до споживача (лампи, радіоприймачі, кип'ятильники, холодильники і т. Д.), Потім від споживача за іншим провіднику повертається знову до джерела струму. Електричний струм точно так же, як і вода, може текти лише в тому випадку, коли є замкнута ланцюг.

Як кількість води, що протікає через трубу, можна вимірювати в кубічних метрах, так і кількість електричного струму, що протікає по дротах, можна виміряти. Наприклад кажуть: в мережі тече струм силою 1,5 ампера (1,5 а).

Величина струму, звана силою струму, залежить від провідника, по якому він тече.

Приклад. Якщо ми вставимо штепсель нагрівального приладу в розетку, то електричний струм, що надходить від генератора електростанції по одній з жив прокладеного під землею кабелю або повітряного проводу, потече через розподільний щит по прихованій проводці будинку в нашу квартиру. Тут він через лічильник, запобіжник, один з двох провідників, які ведуть до розетки, потрапляє в одну з клем розетки. По одному з двох штирів вилки ток через жилу шнура надійде до нагрівального приладу. Звідси він, пройшовши через дротове опір приладу, потече послідовно через другу жилу шнура, через розетку, квартирну проводку, другий запобіжник, лічильник, приховану проводку будинку і підземний кабель назад до генератора електростанції.

Раніше вже згадувалося, що провідники добре проводять струм. Проте вони надають протікає електричного струму деякий опір, інакше струм, як ми це побачимо пізніше, став би нескінченно великою. Тому можна кожен електричний провідник розглядати як опір.

Провід, що підводять електричний струм до нашої квартири, мають малу величину опору.

По-іншому йде справа з дротовим опором в нагрівальному приладі. Він так само проводить струм, але має дуже-більшу величину опору. Одиниця виміру опору - ом. Ця величина позначається грецькою буквою омега (Ω) і пишеться, наприклад, 10 Ω. Величина опору провідника залежить від його матеріалу, довжини і поперечного перерізу. Мідь і алюміній мають незначний опір, тому вони проводять електричний струм дуже добре і застосовуються як матеріали для проводів. Для дротяних опорів в лампочках і нагрівальних приладах (кип'ятильниках, калорифери, подушках, праски і т. П.) Потрібні провідники з великим опором. Матеріалом для них служать вольфрам і деякі сплави заліза. Довгі проводи мають більш високий опір, ніж короткі. Наприклад, провід довжиною 2 м має вдвічі більший опір, ніж провід довжиною 1 м. Само собою зрозуміло, що обидва дроти повинні складатися з одного матеріалу і мати однакову товщину.

Електричний струм тече по замкнутому ланцюзі від генератора 1 через запобіжники 2 всього будинку, лічильник 3, квартирні запобіжники 4, штепсель 5, електронагрівальний прилад 6 і назад до генератора 1.

Товсті дроти мають менший опір, ніж тонкі. Провід з поперечним перерізом 1,5 мм 2 надає протікає току опір в чотири рази більше, ніж провід з того ж матеріалу і тієї ж довжини з перетином б мм2.

Чим більше величина опору дроту, тим менше сила струму, який тече через цей дріт при інших рівних умовах.

Напруга. Отже, ми знаємо, що струм тече від джерела струму по ланцюгу знову до джерела. Напруга створює струм. Воно вимірюється в вольтах (в). Його величина залежить від джерела струму. Так, наприклад, напруга одного елемента, який використовується в кишеньковому ліхтарику або транзисторі, дорівнює 1,5 е. У плоских батарейках три елементи включені послідовно і дають напругу відповідно 4,5 в. На малюнку 127 показані умовне зображення і схема такого послідовного включення джерел струму.

При послідовному включенні загальну напругу отримують шляхом додавання напруги окремих джерел струму, наприклад батарейок. І навпаки, можна легко обчислити число необхідних лампочок, наприклад для новорічної ялинки, виходячи з напруги мережі і напруги окремих лампочок. Напруга в мережі зазвичай дорівнює 220 в. Великі силові і опалювальні установки використовують напругу в 380 ст.

Напруга мережі можна легко дізнатися в кожному окремому випадку, якщо подивитися на лічильник. Ця напруга постійно і не залежить від споживача струму.

Напруга, сила струму і опір певним чином пов'язані один з одним: величина напруги дорівнює добутку величини сили струму на величину опору: напруга = сила струму X опір, або U = IR.

Наприклад, якщо напруга в розетці становить 220 в і ми підключаємо до неї грілку з опором спіралі в 48,4 ом, то струм в цій мережі буде дорівнює.

З іншого боку можна розрахувати опір дроти, якщо відома сила струму. Припустимо, що по спіралі лампочки розжарювання, включеної в мережу з напругою 220 в, тече струм 0,27 а, то опір палаючої лампочки одно в цьому випадку.

Як дізнатися силу струму, щоб обчислити опір, буде показано в наступному розділі.

Потужність. Потужність електричного струму, яку споживає будь-якої прилад, вимірюється в ватах або кіловатах. 1000 ват становлять 1 кіловат, або 1000 вт = 1 квт. Потужність вказують на приладах. Так, наприклад, на лампочці розжарювання ми можемо прочитати 220 в / 40 пн. Це означає, що лампочка повинна включатися в мережу з напругою 220В і в цьому випадку споживана потужність дорівнює 40 пт. Новомосковськ на кип'ятильник: 220 в / 750 Вт і на калорифері - 220 в / 1000 пн. Це означає, що кип'ятильник в мережі з напругою 220 в споживає 750 Вт, а калорифер - 1000 вт, т. Е. 1 квт.

Виходячи з цих двох величин - напруги і потужності, ми можемо визначити силу струму, який тече через опору приладів. Сила струму дорівнює частці від ділення потужності на напругу:

Цей струм (рис. 128) тече з розетки через одну з жил шнура, спіраль калорифера і іншу жилу назад до розетке.Еслі поряд з калорифером підключений ще й кип'ятильник потужністю 500 Вт до тієї ж мережі, то в ній потече дополнітельнийток в

Обидва цих струму об'єднуються в клемнику (рис. 129) і течуть разом з проводу до запобіжників через лічильник Домашню проводку і кабель. Таким чином, по дроту до клемної тече струм в 4,5 а +2,3 а = 6,8 а.

Однак до лічильника всередині квартири можуть відгалужується ще інші струми (в кухні, ванній і т. Д.), Які також потрібно стожіть разом, щоб підрахувати загальний струм. На верхній площадці сходів, крім того, необхідно врахувати ще і відгалуження в інші квартири, а струм в кабелі складається з струмів, які течуть в відгалуженнях до окремих будинках (рис. 130).

Всередині квартири ми можемо вирахувати загальний струм, який тече через запобіжники і лічильник, якщо скласти потужності всіх підключених приладів (наприклад, лампочки 40 вт, 41 вт, 40 вт, 100 вт, радіоприймач 50 вт, кип'ятильник 300 вт, плитка 800 вт - разом 1370 вт) і отриману суму розділити на напругу (1370 вт. 220 в = 6,2 а).

Робота електричного струму. Кожен споживач електричної енергії має лічильник, який встановлюється організацією відає енергетичним постачанням. Цей лічильник встановлюється так, що через нього протікає весь використовуваний в домашньому господарстві струм. Одночасно він реєструє і напруга мережі. Витрачена електрична енергія у формі потужності «підраховується» лічильником і повинна бути оплачена. Електрична енергія -це робота електричного струму. Вона дорівнює потужності, помноженої на час, протягом якого витрачається енергія:

Якщо калорифер потужністю 1000 Вт, згадуваний раніше, включений протягом 2,5 годин, то він робить наступну роботу:

Кип'ятильник потужністю 500 Вт при включенні в мережу на 0,5 години споживає:

0,5 квт X 0,5 ч = 0,25 квт-ч.

Обидва прилади, таким чином, споживають - кожен протягом свого робочого часу - 2,5 квт-ч + 0,25 квт-ч = 2,75 квт-ч. На це число збільшиться показання лічильника і буде зафіксована витрачена енергія. При визначенні величини оплати за електрику ця сума множиться на вартість однієї кіловат-години (наприклад 4 коп.).

Приклад. Останнє показання лічильника дорівнювало 2637,8 квт-ч. Протягом дня в роботі знаходилися: