Как найти время в электрической цепи формула

Электрическая цепь RC

Рассмотрим ток в электрической цепи, состоящей из конденсатора ёмкостью C и резистора сопротивлением R, соединённых параллельно.
Значение тока заряда или разряда конденсатора определится выражением I = C(dU/dt), а значение тока в резисторе,
согласно закону Ома, составит U/R, где U – напряжение заряда конденсатора.

Из рисунка видно, что электрический ток I в элементах C и R цепи будет иметь одинаковое значение и
противоположное направление, согласно закону Кирхгофа. Следовательно, его можно выразить следующим образом:

Решаем дифференциальное уравнение C(dU/dt)= -U/R

Интегрируем:

Из таблицы интегралов здесь используем преобразование

Получаем общий интеграл уравнения: ln|U| = – t/RC + Const.
Выразим из него напряжение U потенцированием: U = e^-t/RC * e^Const.
Решение примет вид:

U = e^-t/RC * Const.

Здесь Const – константа, величина, определяемая начальными условиями.

Следовательно, напряжение U заряда или разряда конденсатора будет меняться во времени по экспоненциальному закону
e^-t/RC.

Экспонента – функция exp(x) = e^x
e – Математическая константа, приблизительно равная 2.718281828…

---

Постоянная времени τ

Если конденсатор емкостью C последовательно с резистором сопротивлением R подключить к источнику постоянного напряжения U,
в цепи пойдёт ток, который за любое время t зарядит конденсатор до значения U_C и определится выражением:

Тогда напряжение U_C на выводах конденсатора будет увеличиваться от нуля до значения U по экспоненте:

U_C = U(1 – e^-t/RC)

При t = RC, напряжение на конденсаторе составит U_C = U(1 – e^-1) = U(1 – 1/e) .
Время, численно равное произведению RC, называется постоянной времени цепи RC и обозначается греческой буквой τ.

Постоянная времени τ = RC

За время τ конденсатор зарядится до (1 – 1/e)*100% ≈ 63,2% значения U.
За время 3τ напряжение составит (1 – 1/e³)*100% ≈ 95% значения U.
За время 5τ напряжение возрастёт до (1 – 1/e⁵)*100% ≈ 99% значения U.

---

Если к конденсатору емкостью C, заряженному до напряжения U, параллельно подключить резистор сопротивлением R,
тогда в цепи пойдёт ток разряда конденсатора.

Напряжение на конденсаторе при разряде будет составлять U_C = Ue^-t/τ = U/e^t/τ.

За время τ напряжение на конденсаторе уменьшится до значения U/e, что составит 1/e*100% ≈ 36.8% значения U.

За время 3τ конденсатор разрядится до (1/e³)*100% ≈ 5% от значения U.
За время 5τ до (1/e⁵)*100% ≈ 1% значения U.

Параметр τ широко применяется при расчётах RC-фильтров различных электронных цепей и узлов.

---

R — это резистор, С — конденсатор, а вместе они образуют RC-цепь, то есть это цепь, которая состоит из конденсатора и резистора. Все просто  😉

Принцип работы RC цепи

Как вы помните, конденсатор представляет из себя две обкладки на некотором расстоянии друг от друга.

Вы, наверное, помните, что его емкость зависит от площади обкладок, от расстояния между ними, а также от вещества, которое находится между обкладками.  Или формулой для плоского конденсатора:

где

Ладно, ближе к делу. Пусть у нас имеется конденсатор. Что с ним можно сделать? Правильно, зарядить 😉  Для этого берем источник постоянного напряжения и подаем заряд на конденсатор, тем самым заряжая его:

В результате, у нас конденсатор зарядится. На одной обкладке будет положительный заряд, а на другой обкладке — отрицательный:

Даже если убрать батарею, у нас заряд на конденсаторе все равно сохранится в течение какого-то времени.

Сохранность заряда зависит от сопротивления материала между пластинами. Чем оно меньше, тем быстрее со временем будет разряжаться конденсатор, создавая ток утечки. Поэтому самыми плохими, в плане сохранности заряда, являются электролитические конденсаторы, или в народе — электролиты:

Но что произойдет, если к конденсатору мы подсоединим резистор?

Конденсатор разрядится, так как цепь станет замкнутой. Разряжаться он будет через резистор. В  разряде конденсатора через резистор и заложен весь принцип работы RC цепочки.

Постоянная времени RC-цепи

Но дело в том, что мы не можем наблюдать процесс разрядки конденсатора, просто посмотрев на RC цепь. Для этого нам понадобится цифровой осциллограф с функцией записи сигнала. Благо на моем рабочем столе уже есть место этому прибору:

Итак, план действий будет такой: мы будем заряжать конденсатор с помощью блока питания, а потом разряжать  его на резисторе и смотреть осциллограмму, как разряжается конденсатор.

Соберем классическую схему, которая есть в любом учебнике по электронике:

в этот момент мы заряжаем конденсатор

потом переключаем тумблер S в другое положение и разряжаем конденсатор, наблюдая процесс разряда конденсатора на осциллографе

Думаю, с этим все понятно. Ну что же, приступим к сборке.

Берем макетную плату и собираем схемку. Конденсатор я взял емкостью в 100мкФ, а резистор 1 КилоОм.

Вместо тумблера S я буду вручную перекидывать желтый проводок.

Ну все, цепляемся щупом осциллографа к резистору

и смотрим осциллограмму, как разряжается конденсатор.

Те, кто впервые читает про RC-цепи, думаю, немного удивлены. По логике, разряд должен проходить прямолинейно, но здесь мы видим загибулину.  Разряд происходит по так называемой экспоненте. Так как я не люблю алгебру и матанализ, то не буду приводить различные математические выкладки. Кстати, а что  такое экспонента? Ну экспонента — это график функции «е в степени икс». Короче, все учились в школе, вам лучше знать 😉

Так как при замыкании тумблера у нас получилась RC-цепь, то у нее есть такой параметр, как постоянная времени RC-цепи. Постоянная времени RC-цепи обозначается буквой t , в другой литературе обозначают большой буквой T. Чтобы было проще для понимания, давайте также будем обозначать постоянную времени RC цепи большой буквой Т.

Итак, думаю стоит запомнить, что постоянная времени RC-цепи равняется произведению номиналов сопротивления и емкости и выражается в секундах, или формулой:

T=RC

где T — постоянная времени , Секунды

R — сопротивление, Ом

С — емкость, Фарады

Давайте посчитаем, чему равняется постоянная времени нашей цепи. Так как у меня конденсатор емкостью в 100 мкФ, а резистор 1 кОм, то постоянная времени равняется T=100 x 10^-6 x 1 х 10³ =100 x 10^-3 = 100 миллисекунд.

Для тех, кто любит считать глазами, можно построить уровень в 37% от амплитуды сигнала и затем уже аппроксимировать на ось времени. Это и будет постоянная времени RC-цепи. Как вы видите, наши алгебраические расчеты почти полностью сошлись с геометрическими, так как цена деления стороны одного квадратика по времени равняется 50 миллисекундам.

В идеальном случае конденсатор сразу же заряжается, если на него подать напряжение. Но в реальном все-таки есть некоторое сопротивление ножек, но все равно можно считать, что заряд происходит почти мгновенно. Но что будет, если заряжать конденсатор через резистор? Разбираем прошлую схему и стряпаем новую:

исходное положение

как только мы замыкаем ключ S, у нас конденсатор начинает заряжаться от нуля и до значения 10 Вольт, то есть до значения, которое мы выставили на блоке питания

Наблюдаем осциллограмму, снятую с конденсатора

Ничего общего не увидели с прошлой осциллограммой, где мы разряжали конденсатор на резистор? Да, все верно. Заряд тоже идет по экспоненте ;-). Так как радиодетали у нас одинаковые, то и постоянная времени тоже одинаковая. Графическим способом она высчитывается как 63% от амплитуды сигнала

Как вы видите, мы получили те же самые 100 миллисекунд.

По формуле постоянной времени RC-цепи, нетрудно догадаться, что изменение номиналов сопротивления и конденсатора повлечет за собой изменение и постоянной времени. Поэтому, чем меньше емкость и сопротивление, тем короче по времени постоянная времени. Следовательно, заряд или разряд будет происходить быстрее.

Для примера, давайте поменяем значение емкости конденсатора в меньшую сторону. Итак, у нас был конденсатора номиналом в 100 мкФ, а мы поставим 10 мкФ, резистор оставляем такого же номинала в 1 кОм. Посмотрим еще раз на графики заряда и разряда.

Вот так заряжается наш конденсатор номиналом в 10 мкФ

А вот так он разряжается

Как вы видите, постоянная времени цепи в разы сократилась. Судя по моим расчетам она стала равняться T=10 x 10^-6 x 1000 = 10 x 10^-3 = 10 миллисекунд. Давайте проверим графо-аналитическим способом, так ли это?

Строим на графике заряда или разряда прямую на соответствующем уровне и аппроксимируем ее на ось времени. На графике разряда будет проще 😉

Одна сторона квадратика по оси времени у нас 10 миллисекунд (чуть ниже рабочего поля написано M:10 ms), поэтому нетрудно посчитать, что постоянная времени у нас 10 миллисекунд ;-). Все элементарно и просто.

То же самое можно сказать и про сопротивление.  Емкость я оставляю  такой же, то есть 10 мкФ, резистор меняю с 1 кОм на 10 кОм. Смотрим, что получилось:

По расчетам постоянная времени должна быть T=10 x 10^-6 x 10 x 10³ = 10 x 10^-2 = 0,1 секунда или 100 миллисекунд. Смотрим графо-аналитическим способом:

100 миллисекунд 😉

Вывод: чем больше номинал конденсатора и резистора, тем больше постоянная времени, и наоборот, чем меньше номиналы этих радиоэлементов, тем меньше постоянная времени. Все просто 😉

Ладно, думаю, с этим все понятно. Но куда можно применить этот принцип зарядки и разрядки конденсатора?  Оказывается, применение нашлось…

Интегрирующая RC цепь

Собственно сама схема:

А что будет, если мы на нее будем подавать прямоугольный сигнал с разной частотой?  В дело идет китайский генератор функций:

Выставляем на нем частоту 1 Герц и размахом в 5 Вольт

Желтая осциллограмма — это сигнал с генератора функций, который подается на вход интегрирующей цепи на клеммы Х1, Х2, а с выхода мы снимаем красную осциллограмму, то есть с клемм Х3, Х4:

Как вы могли заметить, конденсатор почти полностью успевает зарядиться и  разрядиться.

Но что будет, если мы добавим частоту? Выставляю на генераторе частоту в 10 Герц. Смотрим что у нас получилось:

Конденсатор не успевает заряжаться и разряжаться как уже приходит новый  прямоугольный импульс. Как мы видим, амплитуда выходного сигнала очень сильно просела, можно сказать, он скукожился ближе к нулю.

А сигнал в 100 Герц вообще не оставил ничего от сигнала, кроме малозаметных волн

Сигнал в 1 Килогерц на выходе вообще не дал ничего…

Еще бы! Попробуй-ка с такой частотой перезаряжать конденсатор 🙂

Все то же самое касается и других сигналов: синусоиды и треугольного. везде выходной сигнал почти равен нулю на частоте 1 Килогерц и выше.

«И это все, на что способна интегрирующая цепь?» — спросите вы. Конечно нет! Это было только начало.

Давайте разберемся… Почему у нас с возрастанием частоты сигнал стал прижиматься к нулю и потом вообще пропал?

Итак, во-первых, эта цепь у нас получается как делитель напряжения, и во-вторых, конденсатор — это частотно-зависимый радиоэлемент. Его сопротивление зависит от частоты. Про это можно прочитать в статье конденсатор в цепи постоянного и переменного тока. Следовательно, если бы мы подавали постоянный ток на вход (у постоянного тока частота 0 Герц), то и на выходе бы тоже получили тот же самый постоянный ток такого же значения, которое загоняли на вход. В это случае конденсатору ведь по барабану. Все что он сможет сделать в этой ситуации — тупо зарядиться по экспоненте и все. На этом его участь  в цепи постоянного тока заканчивается и он стает диэлектриком для постоянного тока.

Но как только в цепь подается переменный сигнал, конденсатор вступает в игру. Тут его сопротивление уже зависит от частоты. И чем она больше, тем меньшим сопротивлением обладает конденсатор. Формула сопротивления конденсатора от частоты:

где

_ХС  — это сопротивление конденсатора, Ом

π — постоянная и равняется приблизительно 3,14

F — частота, Герц

С — емкость конденсатора, Фарад

Итак, что в результате получается? А получается то, что чем больше частота, тем меньше сопротивление конденсатора. На нулевой частоте у нас сопротивление конденсатора в идеале стает равно бесконечности (поставьте в формулу 0 Герц частоту). А так как у нас получился делитель напряжения

следовательно, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. С ростом частоты сопротивление конденсатора очень сильно уменьшается и поэтому падение напряжения на нем стает почти 0 Вольт, что мы и наблюдали на осциллограмме.

Но на этом ништяки не заканчиваются.

Давайте вспомним, что из себя представляет сигнал с постоянной составляющей. Это есть ничто иное, как сумма переменного сигнала и постоянного напряжения. Взглянув на рисунок ниже, вам все станет ясно.

То есть в нашем случае можно сказать, этот сигнал (ниже на картинке) имеет в своем составе постоянную составляющую, другими словами, постоянное напряжение

Для того, чтобы выделить постоянную составляющую из этого сигнала, нам достаточно прогнать его через нашу интегрирующую цепь. Давайте  рассмотрим все это на примере. С помощью нашего генератора функций мы поднимем нашу синусоиду «над полом», то есть сделаем вот так:

Итак, все как обычно, желтый входной сигнал цепи, красный  — выходной. Простая двухполярная синусоида дает нам на выходе RC интегрирующей цепи 0 Вольт:

Чтобы  понять, где нулевой уровень сигналов, я их пометил квадратиком:

Теперь давайте я добавлю постоянную составляющую в синусоиду, а точнее — постоянное напряжение, благо это сделать мне позволяет генератор функций:

Как вы видите, как только я поднял синус «над полом», на выходе цепи я получил постоянное напряжение величиной в 5 Вольт. Именно на 5 Вольт я поднимал сигнал в генераторе функций ;-). Цепочка  выделила постоянную составляющую из синусоидального приподнятого сигнала без проблем. Чудеса!

Но мы так и не разобрались, почему цепь называется интегрирующей? Кто хорошо учился в школе, в классе эдак 8-9, то наверняка помнит геометрический смысл интеграла — это есть ничто иное, как площадь под кривой.

Давайте рассмотрим тазик с кубиками льда в двухмерной плоскости:

Что будет, если весь лед растает и превратится в воду? Все верно, вода ровным слоем покроет тазик одной плоскостью:

Но какой будет этот уровень воды? Вот именно — средний. Это среднее значение этих башен из кубиков льда. Так вот, интегрирующая цепочка делает то же самое! Тупо усредняет значение сигналов до одного постоянного уровня! Можно сказать, усредняет площадь до одного постоянного уровня.

Но самый смак получается тогда, когда мы подаем на вход прямоугольный сигнал. Давайте так и сделаем. Подадим положительный меандр на RC интегрирующую цепь.

Как вы видите, постоянная составляющая меандра равна половине его амплитуды. Думаю, вы уже и сами догадались, если бы представили тазик с кубиками льда). Или просто подсчитайте площадь каждого импульса и размажьте его равномерным слоем по осциллограмме, как гов…  как сливочное масло по хлебу 😉

Ну а теперь самое веселое. Сейчас я буду менять скважность  нашего прямоугольного сигнала, так как скважность — это ничто иное, как отношение периода на длительность импульса, следовательно, мы будем менять длительность импульсов.

Уменьшаю длительность импульсов

Увеличиваю длительность импульсов

Если никто ничего до сих пор не заметил, просто взгляните на уровень красной осциллограммы и все станет понятно.  Вывод: управляя скважностью, мы можем менять уровень постоянной составляющей. Именно этот принцип и заложен в ШИМ (Широтно-Импульсной Модуляции). О ней как-нибудь поговорим в отдельной статье.

Дифференцирующая RC цепь

Еще одно ругательное слово, которое пришло с математики — дифференцирующий. Башка начинает сразу же болеть от одного только их произношения. Но, куда деваться? Электроника и математика неразлучные друзья.

А вот и сама дифференциальная цепочка

В схеме мы только переставили резистор и конденсатор местами

Ну а теперь проведем также все опыты, как мы делали с интегрирующей цепью. Для начала подаем на вход дифференциальной цепи низкочастотный двухполярный меандр с частотой в 1,5 Герца и с размахом в 5 Вольт.  Желтый сигнал — это сигнал с генератора частоты, красный —  с выхода дифференциальной цепочки:

Как вы видите, конденсатор успевает почти полностью разрядится, поэтому у нас получилась вот такая красивая осциллограмма.

Давайте увеличим частоту до 10 Герц

Как видите, конденсатор не успевает разрядиться, как уже приходит новый импульс.

Сигнал в 100 Герц сделал кривую разряда еще менее заметной.

Ну и добавим частоту до 1 Килогерца

Какой на входе, такой и на выходе 😉 С такой частотой конденсатор вообще не успевает разряжаться, поэтому вершинки выходных импульсов гладкие и ровные.

Но и на этом тоже ништяки не заканчиваются.

Давайте я подниму входной сигнал над «уровнем моря», то есть выведу его в положительную часть полностью. Смотрим, что получается на выходе (красный сигнал)

Ничего себе, красный сигнал по форме и по положению остался таким же, посмотрите — в нем нет постоянной составляющей, как в желтом сигнале, который мы подавали из нашего генератора функций.

Могу даже желтый сигнал вывести в отрицательную область, но на выходе мы все равно получим переменную составляющую сигнала без всяких хлопот:

Да и вообще пусть сигнал будет с небольшой  отрицательной постоянной составляющей, все равно на выходе мы получим переменную составляющую:

Все то же самое касается и любых других сигналов:

В результате опытов мы видим, что основная функция дифференциальной цепи — это выделение переменной составляющей из сигнала, который содержит в себе как переменную, так и постоянную составляющую. Иными словами — выделение переменного тока из сигнала, который состоит из суммы переменного тока и постоянного тока.

Почему так происходит? Давайте разберемся. Рассмотрим нашу дифференциальную цепь:

Если внимательно рассмотреть эту схему, то мы можем увидеть тот же самый делитель напряжения, как и в интегрирующей цепи. Конденсатор — частотно-зависимый радиоэлемент. Итак, если подать сигнал с частотой  в 0 Герц (постоянный ток), то у нас конденсатор тупо зарядится и потом вообще перестанет пропускать через себя ток. Цепь будет в обрыве. Но если мы будем подавать переменный ток, то и через конденсатор он тоже начнет проходить. Чем больше частота — тем меньше сопротивление конденсатора. Следовательно, весь переменный сигнал будет падать на резисторе, с которого мы как раз и снимаем сигнал.

Но если мы будем подавать смешанный сигнал, то есть переменный ток + постоянный ток, то на выходе мы получим просто переменный ток. В этом мы с вами уже убеждались на опыте. Почему так произошло? Да потому что конденсатор не пропускает через себя постоянный ток!

Видео «Как работает RC-цепь РЕАЛЬНО. Понятное объяснение»

Заключение

Интегрирующую цепь также называют фильтром низких частот (ФНЧ), а дифференцирующую — фильтром высоких частот (ФВЧ). Более подробно про фильтры читаем здесь. Чтобы точнее их сделать, нужно провести расчет на нужную вам частоту. RC цепи используются везде, где надо выделить постоянную составляющую (ШИМ), переменную составляющую (межкаскадное соединение усилителей), выделить фронт сигнала, сделать задержку и тд… По мере глубины погружения в электронику вы будете часто встречаться с ними.

Крутой набор радиолюбителя по ссылке алиэкспрессе.

Есть простейшая схема состоящая из источника питания с напряжением 10V, кнопки, резистора сопротивлением 1кОм и конденсатора ёмкостью 1000мфк. Сочетание конденсатора и резистора называется резистивно-емкостной цепочкой (или RC-цепь, R – резистор, С-конденсатор). Через какое время после нажатия на кнопку напряжение на конденсаторе сможет достичь значения напряжения источника питания?

Для ответа на этот вопрос необходимо построить график изменения напряжения на конденсаторе в зависимости от времени. Делать это с помощью вольтметра не очень удобно, поэтому я воспользуюсь платой Arduino и модулем цифрового вольтметра INA219 из прошлой статьи. (перед проведением опыта конденсатор необходимо полностью разрядить перемкнув его выводы перемычкой)!

Скетч который в данном случае cможет заменить осциллограф состоит из 3 строк кода (строим график только если напряжение на конденсаторе больше 0.1V и прекращаем строить если больше 9.9V)

Открываем плоттер порта в среде Arduino IDE, “клацаем” кнопку и на выходе получаем симпатичную картинку.

Осталось проанализировать получившийся график.

Из графика хорошо видно, что скорость зарядки конденсатора падает по мере роста на нем напряжения.

Если представить, что резистор это вентиль, ограничивающий поток воды, а конденсатор это резиновый шарик, который будет наполняться – то если
закрыть вентиль до такой степени, что вода будет просачиваться по каплям – шарик будет заполняться очень долго.

По мере того как шарик наполняется, оболочка растягивается, оказывая большее давление на его содержимое. С увеличением давления внутри шарика, оно выталкивает входящий поток воды и следовательно с течением времени вода будет заполнять шарик все медленнее. Если предположить, что шарик не лопнет – процесс закончится когда давление внутри шарика сравняется с давлением воды в трубе.

Похожие процессы происходят в конденсаторе. Сначала электроны стремительно поступают, но по мере заполнения пространства новоприбывшим требуется больше времени на поиск свободного места. Процесс заряда становится все более медленным и медленным, а на самом деле теоретически никогда не сравняется с подаваемым на него напряжением.

Скорость с которой заряжается конденсатор зависит от параметра – постоянная времени.

TC = R * C

• TC – постоянная времени в секундах
• С – емкость конденсатора в фарадах
• R – сопротивление в омах

Для нашего примера:

TC = 1 кОм * 1000мкф = 1000 Ом * 0.001Ф = 1с.

Постоянная времени RC цепи ТС это время (сек) необходимое конденсатору для того, чтобы напряжение на нем составило 63% от подаваемого напряжения, если заряд начинался с нулевого значения.

Для нашего случая в первую секунду конденсатор должен будет зарядиться до значения:

10V / 100 * 63 = 6.3V

А дальше смотрим картинку:

Считаем:

Первая секунда:
10*0.63 = 6.3V

Вторая секунда:
10 – 6.3 = 3.7
3.7 * 0.63 = 2.33
6.3 + 2.33 = 8.63V

Третья секунда:
10 – 8.63=1.37
1.37 * 0.63 = 0.86
8.63 + 0.86 = 9.49V

Четвертая секунда:
10 – 9.49 = 0.51
0.51 * 0.63 = 0.32
9.49 + 0.32 = 9.81V

Пятая секунда:
10 – 9.81 = 0.19
0.19 * 0.63 = 0.11
9.81 + 0.11 = 9.92V

В мире идеальных компонентов процесс заряда будет продолжаться бесконечно. В реальных условиях считается, что по истечении временного интервала, равного 5 постоянным времени, заряд конденсатора приблизится к 100% и можно считать процесс завершенным.

Если вы еще раз обратите внимание на мой реальный график – цифры будут несколько отличаться от расчетных. Здесь много причин влияющих на результат измерений: номинал резистора не ровно 1000 Ом, емкость конденсатора не ровно 1000 микрофарад, сопротивление контактов макетной платы, внутреннее сопротивление вольтметра INA219, небольшой ток утечки присущий любому электролиту, помехи от ПК и много чего другого. Тем не менее Arduino остановило отрисовку графика ровно через 5 секунд, и окончательный расчёт времени зарядки конденсатора достаточно простой:

T = 5*R*C = 5 * 1000 Ом * 0.001 Ф = 5 сек.

что для практических целей необходимо и достаточно.

Полный список всех статей на канале доступен по этой ссылке:

Если информация была полезной не забудьте подписаться и поставить лайк. Всем удачи!

На этой странице вы узнаете

• Что общего у электрического тока с водой?
• В чем отличие сопротивления от удельного сопротивления?
• Почему нежелательно использовать телефон, подключенный к зарядке?
• Фамилия какого ученого стоит миллион?

«Все, кина не будет. Электричество кончилось». Наверное, никого не оставит равнодушным популярная фраза из широко известного фильма «Джентльмены удачи». Ведь действительно: бесит, когда сидишь за просмотром любимого сериальчика, вдруг — бамс! Вырубили свет, и зарядки ноута, как назло, не хватило. И не выработаешь электричество в домашних условиях, а жаль… Но вот понять, как оно работает — это мы сможем сделать в статье.

Электрический ток

В наше время трудно себе представить жизнь без электричества. Телевизор не посмотреть, телефон не зарядить, чай не попить… Ни один электроприбор в доме не будет работать без электричества. А объявление об отключении электроэнергии, вызывает тихий ужас.

Электричество — это форма энергии, которая существует в виде статических или подвижных электрических зарядов.

Сформулируем определение:

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Чтобы электрический ток существовал, необходимо выполнение следующих условий:

• наличие свободных заряженных частиц;
• наличие электрического поля;
• наличие замкнутой электрической цепи.

Основными количественными характеристиками электрического тока являются сила тока и напряжение.

Напряжение

Чтобы внутри цепи существовал электрический ток, цепь должна быть замкнута и между концами участка цепи должно существовать напряжение.

Напряжение  — скалярная (не имеющая направления) физическая величина, значение которой равно работе тока на участке цепи, совершаемой при переносе единичного электрического заряда из одной точки в другую.

Единица измерения U — В (Вольт) = (frac{Дж}{Кл})

Электрический ток – результат “труда” множества частиц. Они любят работать – не ленятся перемещаться из одного конца цепи в другой. И чем больше они будут работать, тем большее напряжение получится. Так запоминаем связь напряжения (U) с работой (A).

Услышав слова из известной песни Димы Билана «Это ты, это я, между нами молния, С электрическим разрядом 220 Вольт…» любой физик (и электрик) приобретает новую пару седых волосинок. Такое напряжение очень опасно для человека. Однако, 220 Вольт — это то самое напряжение в наших розетках!

Прибор для измерения напряжения — вольтметр. Он включается в цепь параллельно. Пример подключения представлен на рисунке:

Сила тока

Это еще одна немаловажная характеристика электрического тока.

Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени . 

Единица измерения I — А (ампер) = (frac{Кл}{с}).

Представим, что внутри проводника «бежит» в одном направлении огромное количество заряженных частиц. Так вот, чем больше общий заряд частиц, пробегающих через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше будет значение силы тока. Это поможет вам запомнить зависимость силы тока (I) от электрического заряда (q).

Прибор для измерения силы тока — амперметр. Он включается в цепь последовательно. Пример подключения представлен на рисунке:

Направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Ответ: по часовой стрелке

Электрическое сопротивление

Оно является электрической характеристикой проводника.

Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи.

Единица измерения R — Ом.

Удельное сопротивление проводника (p) можно посмотреть в специальной таблице в справочнике или в интернете. Для каждого материала будет свое значение. Мы приведем для примера лишь фрагмент такой таблицы.

Таблица удельных сопротивлений проводников

Металл	Удельное сопротивление,  Ом * (мм^2)/ м
Серебро	0,0015
Медь	0,018
Золото	0,023
Алюминий	0,029
Вольфрам	0,055
Железо	0,098

Получается, что прежде всего на то, каким будет сопротивление, влияют размеры проводника, его форма, материал, из которого он сделан. 

Удельное сопротивление проводника зависит также от температуры. Когда температура твердых тел увеличивается, то удельное сопротивление возрастает. А в растворах и расплавах — наоборот, уменьшается. В экзаменационных задачах случаи с изменением удельного сопротивления не рассматриваются, а вот в олимпиадных задачах такое встретить можно.

Давайте поразмышляем: что чему сопротивляется? 

Причина электрического сопротивления кроется во взаимодействии зарядов разного знака при протекании тока по проводнику. Это взаимодействие можно сравнить с силой трения, стремящейся остановить движение заряженных частиц.

Чем сильнее взаимодействие свободных электронов с положительными ионами в узлах кристаллической решетки проводника, тем больше сопротивление проводника.

Проводник с определенным постоянным сопротивлением называется резистор.

Вернемся к сравнению электрического тока с водой: как молекулы воды из крана движутся сверху вниз, так и электрический ток имеет определенное направление — от катода к аноду. Электрический заряд условно в нашем примере аналогичен массе воды, а напряжение — напору воды из крана.

Закон Ома

Сила тока, напряжение и сопротивление связаны между собой соотношением, которое называется закон Ома:

Для упрощенного понимания закона Ома можно использовать данный треугольник. Чтобы вспомнить формулу для нахождения той или иной величины, нужно ее закрыть рукой. Если оставшиеся открытыми величины стоят бок о бок, то они перемножаются друг с другом (U=IR). А если одна величина стоит выше другой, то в таком случае мы делим их друг на друга (I=U/R или R=U/I)

Данный закон справедлив для участка цепи, на который не действуют сторонние силы.

Работа и мощность электрического тока

Вернемся к понятию работы. Мы говорили, при перемещении заряда по проводнику электрическое поле совершает работу (А):

A = qU

Если мы выразим заряд из формулы силы тока q=It, то получим, формулу для расчета работы электрического поля (А) при протекании постоянного тока (или просто работа тока):

Единица измерения А — Дж (Джоуль).

В быту ток совершает работу длительное время, поэтому при определении затраченной электрической энергии используют единицу измерения кВт * ч. Киловатт в час — это энергия, которая потребляется устройством мощностью 1 кВт в течении 1 часа. Учитывая, что 1 ч=3600 с, получим:

1 кВт*ч = 1000 Вт * 3600 с = 3600000 Дж = 3600 кДж

Если же работу тока рассчитать за единицу времени, то мы получим мощность постоянного электрического тока.

Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии.

Единица измерения P — Вт (Ватт).

Средняя мощность тока равна:

(P = frac{A}{t} = frac{qU}{t} = IU = frac{U^2}{R} = I^2R)

Мощность электроприбора всегда указывается в документации, прилагающейся к нему. Кроме того, нередко ее пишут на самом приборе. Давайте посмотрим на утюг, или стиральную машину дома. Мы увидим, что утюг имеет мощность 1000 Вт, а обычная энергосберегающая лампочка, всего 40 Вт (на то она и сберегающая). Чем больше мощность прибора, тем больше энергии он будет потреблять. Примеры мощностей различных приборов представлены на рисунке.

Закон Джоуля — Ленца

Теперь же свяжем работу тока и теплоту, которая выделяется на проводнике за некоторое время t.

Почему так происходит?

Электрический ток оказывает тепловое действие на проводник. Количество теплоты, которое при этом выделяется, будет рассчитываться по закону Джоуля — Ленца:

Количество теплоты, выделяемое за время в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления проводника:

Единица измерения Q — Дж (Джоуль).

В электронагревательных приборах используются проводники с высоким сопротивлением, что обеспечивает выделение тепла на определенном участке. 

Так, проволоку из нихрома (сплав никеля с хромом) применяют в электронагревательных элементах, работающих при температуре до 1000 ℃ (резисторах, например). Нихром относится к классу сплавов с высоким электрическим сопротивлением, что определяет его применение в качестве электрических нагревателей. Этот сплав используется также в печах обжига и сушки и различных аппаратах теплового воздействия, например, в фенах, паяльниках или обогревателях.

Еще немного про электричество…

• Постоянный электрический ток используется в работе двигателей электротранспорта, схемах автомобилей, электронике и др.
• Электричество есть и в нашем организме. Мышечные клетки сердца при сокращении производят электроэнергию, эти импульсы можно измерить с помощью электрокардиограммы (ЭКГ).
• Бенджамин Франклин (да-да, президент Америки) провел множество опытов в 18 веке и создал громоотвод. Также он является человеком, который вывел закон сохранения электрического заряда.
• В древности люди считали, что, если молния ударила в курган, значит, там зарыто сокровище.

Термины

Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.

Сторонние силы — силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов в источнике тока.

Фактчек

• Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени: (I = frac{q}{t})
• Напряжение — скалярная физическая величина, равная отношению полной работы кулоновских и сторонних сил А при перемещении положительного заряда на участке цепи к значению этого заряда: (U = frac{A}{q})
• Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи: (R = frac{pl}{S})
• Мощность  — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии: (P = frac{A}{t})
• Закон Ома: сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении: (I = frac{U}{R}).
• Закон Джоуля— Ленца: количество теплоты Q, выделяемое за время t  в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока I на этом участке и сопротивления R проводника: Q = I²Rt.
• Работа электрического поля при протекании постоянного тока (или просто работа тока): А = UIt.

Проверь себя

Задание 1.
Упорядоченное движение заряженных частиц — это:

1. электрическое поле
2. электрический ток
3. электрическая мощность
4. работа тока

Задание 2.
Удельное сопротивление проводника:

1. зависит от температуры
2. не зависит от температуры 
3. зависит от силы протекающего через проводник тока
4. не зависит от напряжения

Задание 3.
Формула для расчета силы тока:

1. I = Ut
2. I = UIt
3. I = I²Rt
4. (I = frac{q}{t})

Задание 4. 
Что такое мощность электрического тока:

1. работа за единицу времени
2. отношение заряда к единице времени
3. произведение силы тока на сопротивление
4. тепло, выделяемое на резисторе

Задание 5. 
Причина электрического сопротивления:

1. во взаимодействии зарядов одинакового знака
2. в отсутствии взаимодействия между зарядами
3. во взаимодействии зарядов разного знака
4. в передаче тепла

Ответы: 1.— 2; 2. — 1; 3.— 4; 4.— 1; 5. — 3.

Лабораторная работа № 6

Цель
работы: изучение
процессов при замыкании и размыкании
электрической цепи, имеющей индуктивность
и сопротивление; определение постоянной
времени

-цепи.

Приборы
и материалы:
лабораторный стенд, имеющий набор
объектов на плате, генератор сигналов,
осциллограф, набор соединительных
проводов.

1. Краткая теория

Электрический ток, текущий в любом
контуре, создает пронизывающий этот
контур магнитный поток. При изменениях
силы тока изменяется также и магнитный
поток, вследствие чего в контуре возникает
ЭДС самоиндукции

.
Это приводит к тому, что установление
тока при замыкании цепи и убывание тока
при размыкании цепи происходит не
мгновенно, а постепенно.

Рассмотрим
цепь с не зависящей от силы тока
индуктивностью

,
сопротивлением

и источником тока

(рис. 6.1). Такая цепь называется

-цепью.
В литературе [1]
показано, что при подключении к цепи
источника тока функция, описывающая
нарастание тока, имеет вид:

. (6.1)

А

функция, описывающая убывание тока
после отключения источника тока:

.
(6.2)

Графики возрастания и убывания тока
при замыкании и размыкании цепи приведены
на рис. 6.2. Скорость возрастания или
убывания тока характеризуется величиной,
имеющей размерность времени:

,
(6.3)

которую называют постоянной времени

–цепи.

Заменив в (6.1) и в (6.2)

через

,
получим:

, (6.4)

. (6.5)

В соответствии с формулой (6.5)

есть время, в течение которого сила тока
уменьшается в

раз. Из (6.3) и (6.5) видно, что чем больше
индуктивность цепи

и меньше ее сопротивление

,
тем больше постоянная времени

и тем медленнее спадает ток в цепи.

2. Методика выполнения работы

В данной работе к

-цепи
в качестве источника тока подключается
генератор прямоугольных импульсов. В
результате этого, действие переднего
фронта прямоугольного импульса аналогично
подключению к цепи источника

,
а действие заднего фронта – отключению
от цепи источника

.
В соответствии с выше сказанным, сигнал
будет иметь не строго прямоугольную
форму. Его передний фронт будет описываться
выражением (6.4), а задний фронт – выражением
(6.5).

В работе, используя изображения импульса
на экране осциллографа, измеряется
напряжение на сопротивлении

как функция времени

:

для переднего и заднего фронтов импульса.

Используя (6.4), (6.5) и закон Ома, можно
получить следующие выражения:

, (6.6)

. (6.7)

Построив графики функции

и

от времени

,
находят тангенс угла наклона каждого
из графиков

и в обоих случаях определяют постоянную
времени

.
Сравнивают полученные результаты.

3. Выполнение упражнений и обработка результатов измерений Задание. Определить постоянную времени -цепи.

1. Подготовка экспериментальной
установки к работе

Перед началом измерений следует
ознакомиться с работой генератора
сигналов и электронного осциллографа.

1
.1.
Соберите электрическую схему (рис.6.3),
состоящую из генератора сигналов

,
катушки индуктивности

,
резистора

и осциллографа. Резистор и катушка
индуктивности входят в состав
соответственно магазина сопротивлений
и магазина индуктивностей, находящихся
на плате лабораторного стенда. Используя
ручки регулировки генератора сигналов,
подготовьте его к работе в качестве
источника прямоугольных импульсов.
Значения сопротивления

,
индуктивности

и частоты сигналов генератора указываются
преподавателем.

1.2. После проверки электрической схемы
преподавателем или инженером приступите
к выполнению задания.

2. Определение постоянной времени

-цепи

2.1. Включите осциллограф и генератор
сигналов. Дайте приборам прогреться
около 5 минут.

2.2. Используя ручки регулировки генератора
сигналов и органов управления
осциллографом, добейтесь устойчивого
изображения сигнала на экране осциллографа.

2.3. Зарисуйте осциллограмму.

2.4. По экрану осциллографа произведите
измерения напряжения

в различные моменты времени для переднего
и заднего фронта импульса (по 10 точек
для каждого фронта импульса). Точки
следует брать в наиболее искривленных
участках осциллограммы. Результаты
измерений занести в таблицу 6.1. Следует
отметить, что для начального момента
времени

=0
имеем: в случае переднего фронта импульса

=0
и

=0;
в случае заднего фронта импульса

=

и

=0.

Таблица
6.1

№ п/п	Для переднего фронта импульса	Для заднего фронта импульса
, В	, мс	, В		, В	, мс	, В

2.4. Постройте графики зависимостей

для переднего фронта и

для заднего фронта импульса.

2.5. По построенным графикам определите
постоянные времени

для переднего фронта и для заднего
фронта импульса, как величины обратные
тангенсам углов наклона полученных
прямых. Сравните полученные значения

между собой и со значением, рассчитанным
по формуле:

.

2.6. Оставив неизменным значение
индуктивности, повторить измерения еще
для трех сопротивлений отличных от
первоначального значения.

2.7. Оставив неизменным первоначальное
значение сопротивления, повторить
измерения еще для трех катушек, значения
индуктивностей которых отличны от
первоначального.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #