Электрический ток. Что определяет электрический ток
напряжение, сила тока и сопротивление, постоянный и переменный ток
На сегодняшней встрече мы поведем разговор об электричестве, которое стало неотъемлемой частью современной цивилизации. Электроэнергетика вторглась во все сферы нашей жизни. А присутствие в каждом доме бытовых приборов, использующих электрический ток настолько естественная и неотъемлемая часть быта, что мы принимаем это как должное.
Итак, вниманию наших читателей предлагаются основные сведения об электрическом токе.
Что такое электрический ток
Под электрическим током понимают направленное движение заряженных частиц. Вещества, содержащие достаточное количество свободных зарядов, называют проводниками. А совокупность всех устройств, соединенных между собой помощью проводов называют электрической цепью.
В повседневной жизни мы используем электричество, проходящее по металлическим проводникам. Носителями заряда в них являются свободные электроны.
Обычно они хаотично мечутся между атомами, но электрическое поле вынуждает их двигаться в определенном направлении.
Как это происходит
Поток электронов в цепи можно сравнить с потоком воды, ниспадающей с высокого уровня на низкий. Роль уровня в электрических цепях играет потенциал.
Для Протекания тока в цепи на её концах должна поддерживаться постоянная разность потенциалов, т.е. напряжение.
Его принято обозначать буквой U и измерять в вольтах (B).
Благодаря приложенному напряжению в цепи устанавливается электрическое поле, которое и придаёт электронам направленное движение. Чем больше напряжение, тем сильнее электрическое поле, а значит и интенсивность потока направленно движущихся электронов.
Скорость распространения электрического тока равна скорости установления в цепи электрического поля, т. е. 300 000 км/с, однако скорость электронов едва достигает лишь нескольких мм в секунду.
Принято считать, что ток течёт от точки с большим потенциалом, т. е. от (+) к точке с меньшим потенциалом, т. е. к (−). Напряжение в цепи поддерживается источником тока, например батарейкой. Знак (+) на её конце означает, недостаток электронов, знак (−) их избыток, поскольку электроны — носители именно отрицательного заряда. Как только цепь с источником тока становиться замкнутой, электроны устремляются от места, где их избыток, к положительному полюсу источника тока. Их путь пролегает через провода, потребители, измерительные приборы и другие элементы цепи.
Обратите внимание, направление тока противоположно направлению движения электронов.
Просто направление тока по договоренности учёных определили до того как была установлена природа тока в металлах.
Некоторые величины, характеризующие электрический ток
Сила тока. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 сек, называют силой тока. Для её обозначения используют букву I, измеряют в амперах (A).
Сопротивление. Следующая величина, о которой необходимо знать — это сопротивление. Оно возникает из-за столкновений направленно движущихся электронов с ионами кристаллической решетки. В результате таких столкновений электроны передают ионам часть своей кинетической энергии. В результате чего проводник нагревается, а сила тока уменьшается. Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в омах (Ом).
Сопротивление металлического проводника тем больше, чем длиннее проводник и меньше площадь его поперечного сечения. При одинаковой длине и диаметре провода наименьшим сопротивлением обладают проводники из серебра, меди, золота и алюминия. По вполне понятным причинам на практике используют провода из алюминия и меди.
Мощность. Выполняя расчёты для электрических цепей, иногда требуется определить потребляемую мощность (P).
Для этого следует силу тока, протекающую по цепи умножить на напряжение.
P=IU
Единицей измерения мощности служит ватт (Вт).
Постоянный и переменный ток
Ток, даваемый разнообразными батарейками и аккумуляторами, является постоянным. Это означает, что силу тока в такой цепи можно изменять лишь по величине, меняя различными способами её сопротивление, а его направление при этом сохраняется неизменным.
Но большинство электробытовых приборов потребляют переменный ток, т. е. ток величина и направление которого непрерывно изменяются по определенному закону.
Он вырабатывается на электростанциях, а затем через линии высоковольтных передач попадает в наши дома и на предприятия.
В большинстве стран частота изменения направления тока равна 50 Гц, т. е происходит 50 раз в секунду. При этом каждый раз сила тока постепенно нарастает, достигает максимума, затем убывает до 0. Затем этот процесс повторяется, но уже при противоположном направлении тока.
В США все приборы работают на частоте 60 Гц. Интересная ситуация сложилась в Японии. Там на одной трети страны используют переменный ток с частотой в 60 Гц, а на остальной части — 50 Гц.
Осторожно — электричество
Поражения электрическим током можно получить при использовании электробытовых приборов и от ударов молнии, поскольку человеческий организм хороший проводник тока. Нередко электротравмы получают, наступив на лежащий на земле провод или отодвинув руками отвисшие электрические провода.
Напряжение свыше 36 В считается опасным для человека. Если через тело человека пройдет ток всего лишь в 0,05 А, он может вызвать непроизвольное сокращение мышц, которое не позволит человеку самостоятельно оторваться от источника поражения. Ток в 0,1 А смертелен.
Ещё опаснее переменный ток, поскольку оказывает более сильное воздействие на человека. Этот наш друг и помощник в ряде случаев превращается в беспощадного врага, вызывая нарушение дыхания и работу сердца, вплоть до его полной остановки. Он оставляет страшные метки на теле в виде сильнейших ожогов.
Как помочь пострадавшему? Прежде всего, отключить источник поражения. А затем уже позаботиться об оказании первой медицинской помощи.
Наше знакомство с электричеством подходит к концу. Добавим лишь несколько слов о морских обитателях, обладающих «электрическим оружием». Это некоторые виды рыб, морской угорь и скат. Самым опасным из них является морской угорь.
Не стоит подплывать к нему на расстояние менее 3 метров. Удар его не смертелен, но сознание можно потерять.
Автор: Драчёва Светлана Семёновна
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:Вы можете оставить комментарий к докладу.
www.doklad-na-temu.ru
Что такое электрический ток?
Автор admin On Суббота, Март 17, 2012 05:48 ПП. Рубрика: Новости
В этой небольшой статье я попробую объяснить,что такое электрический ток.
Не подумайте, что я думаю о Вас плохо!Просто работая в этой сфере, я обратил внимание на то, что очень много людей заканчивая учитьсялибо быстро забывают физику, либо она была им просто не интересна.В моей практике даже были случаи когда мальчишки придя на практику по профессии слесарь-электркна этот вопрос не могут ответить.
И так, что же такое электрический ток? А электрический ток, как сказано в учебнике по физике, это движение электронов под действием электомагнитного поля.Я согласен что понятие, описанное в учебнике, абсолютно ничего не говорит. Главное поймите одно – электрический ток это движение заряженных частиц, которые куда-то движутся в определенном направлении (знают ведь куда).
Напрвление для них определяет разность потенциалов. Где она выше от туда убегают, где она ниже туда стремятся.Это больше относится к постоянному току. Постоянный ток может обеспечить “батарейка”, на ней четко написано, где “+”, и где ” -“.Такой же постоянный ток обеспечивает аккумулятор в автомобиле.
В наших же квартирах и домах испоьзуется ток переменный. Переменный ток, это ток, который постоянно меняет свое направление, то есть в определенный момент у него “плюс” находится на одной стороне, а “минус” на другой, в другой момент “+ ” и “-” меняються местами.Происходит это со стандартным промежутком – 1 секунда. Смена + и – за стандартный промежуток времени называется частотой переменного тока. Частота переменного тока в России отличается от частоты переменного тока в США на 10 Гц.Это значит, что в США + и – меняются за секунду на 10 раз больше , чем у нас.
Почему для обеспечения нашего жилья используют переменный ток?Ответ очень даже простой, просто получить такой, гораздо проще и дешевле.И для передачи тока на большие расстояния переменный ток подходит как нельзя лучше.Наверное, Вы слышали такие понятия – “фаза”, “нуль”, “земля” (“заземление”) и всегда при употреблении этих понятий возникает в мозгу электрик.Да, для электротехнического персонала, это неразделимые понятия. Все говорит только об их работе. Но для простого человека, это в принципе ни чего не значит.
Хотя знать об этих понятих необходимо каждому.Просто живем мы и пользуемся одинаковой электроэнергтей.Эта электороэнергия подаётся в наш дом или в “однофазном” варианте или в “трехфазном”.Это означает:однофазный вариант – ток пришёл по одному проводу и ушел в землю по одному проводу;трехфазный вариант – ток пришёл по трём проводам, а ушёл по одному проводу на землю.Здесь я считаю нужно дать небольшое пояснение: что бы был ток, обязательно нужна замкнутая цепь (от розетки один провод введет электроны к телевизору, после телевизора другой провод ведет электроны в землю).Почему в землю? Об этом чуть позже.
Самое главное понять чтобы пользоваться электроэнергией, нужно обязательно создать цепь от “фазы” до “нуля”.И любая неисправность между “нулём и “фазой”, это есть та неприятность, которая лишает возможности наслаждаться жизнью посредствои использования электроэнергии.
Понравился пост? Расскажи друзьям:
elektrikov.net
электрический ток в различных средах
на главную
Официальный сайт АНО ДО Центра "Логос", г.Глазов
http://logos-glz.ucoz.net/
ГОТОВИМСЯ К УРОКУ
Кинематика
Динамика
МКТ
Термодинамика
Электростатика
Электрический ток
Электрический ток в средах
Магнитное поле Электромагнитная индукция
Оптика
Методы познания
Электрический ток в различных средах немного о физике:
Электрическим током называют всякое упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.
Поэтому в этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.
Электрический ток в металлах.
Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.
Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.
Следовательно, электрический ток в металлах - это упорядоченное движение электронов.
Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:
где I - сила тока в проводнике, e - модуль заряда электрона, n0 - концентрация электронов проводимости, - средняя скорость упорядоченного движения электронов, S - площадь поперечного сечения проводника.
Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.
где j - плотность тока.
У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна
где Na - постоянная Авогадро, A - атомная масса металла, ρ - плотность металла,
то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 - 1029 м-3.
Закон Ома для однородного участка цепи:
где U - напряжение на участке, R - сопротивление участка.
Для однородного участка цепи:
где ρУ- удельное сопротивление проводника, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.
Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и эта зависимость выражается соотношением:
ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т )
где ρоу - удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α - термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т - То - изменение температуры.
Вольт-амперная характеристика металлов.
Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов).
Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению
где G - проводимость.
Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.
Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.
Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.
Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы - к аноду.
Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов - это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.
Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.
При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.
Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:
где ρУ- удельное сопротивление электролита, l - длина жидкого проводника, S - площадь поперечного сечения жидкого проводника.
При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.
Законы Фарадея.
1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.
где m - масса вещества, выделяющегося на электроде, k - электрохимический эквивалент, q - заряд, прошедший через электролит.
2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.
где М- молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z - валентность иона.
постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.
Объединенный закон Фарадея.
Электрический ток в газах.
При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию - энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна - для инертных газов.
Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.
Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.
Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.
Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы к катоду, отрицательные ионы и электроны - к аноду. Т.е. электрический ток в газах - это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.
Вольт- амперная характеристика газов.
Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС.
На участке графика ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к. ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения между электродами скорость направленного движения электронов и ионов возрастает, поэтому большая часть заряженных частиц достигает электродов, а, следовательно возрастает сила тока.
При определенном значении напряжения U1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U2. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.
При напряжении U2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда кинетическая энергия достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.
Электрический ток в вакууме.
В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е. необходимо создать определенные условия, которые помогут получить заряженные частицы.
Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.
При нагревании металла количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.
Явление термоэлектронной эмиссии лежит в основе принципа действия электронных ламп: вакуумного диода, вакуумного триода.
Вакуумный диод Вакуумный триод
Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.
Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВСD.
При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны. При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у катода электронное облако.
По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость силы тока от напряжения, т.е. в интервале напряжений U1 - U2 выполняется закон Ома.
Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.
При достаточно большом значении напряжения U3все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический ток достигает насыщения.
Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы.Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.
Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).
Электрический ток в полупроводниках.
Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10-3 до 107 Ом ·м. Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.
В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает возникновение свободных электронов и "дырок"- вакантных положительных мест с недостающим электроном.
При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя "дырку" в соседнем атоме. Таким образом не только электроны, но и "дырки" могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение - возникнет электрический ток.
Собственная проводимость.
В чистом кристалле электрический ток создается равным количеством электронов и "дырок". Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества "дырок" в полупроводниковом кристалле без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника.
При повышении температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и "дырок".
Примесная проводимость.
Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь - примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый станет электроном проводимости.
При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и "дырки". Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством "дырок". Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа. Электроны являются основными носителями заряда, "дырки" - неосновными.
Акцепторная примесь - примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой незавершенной ковалентной связи образуется "дырка".
При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и "дырки". Поэтому в кристалле количество "дырок" преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа. "Дырки" являются основными носителями заряда, электроны - неосновными.
p-n переход.
При контакте полупроводников p-типа и n-типа через границу происходит диффузия электронов из n-области в p-область и "дырок" из p-области в n-область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии. p-n переход обладает односторонней проводимостью.
При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с положительным полюсом , а n-область - с отрицательным полюсом, появляется движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.
При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с отрицательным полюсом , а n-область - с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.
Принцип действия полупроводникового диода основан на свойстве односторонней проводимости p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода - выпрямитель тока.
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой АОВ.
Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока, когда ток создается основными носителями зарядов, и при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО соответствует току, созданному неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики.
nika-fizika.narod.ru
Видеоматериалы
Опыт пилотных регионов, где соцнормы на электроэнергию уже введены, показывает: граждане платить стали меньше
Подробнее...С начала года из ветхого и аварийного жилья в республике были переселены десятки семей
Подробнее...Более 10-ти миллионов рублей направлено на капитальный ремонт многоквартирных домов в Лескенском районе
Подробнее...Актуальные темы
ОТЧЕТ о деятельности министерства энергетики, ЖКХ и тарифной политики Кабардино-Балкарской Республики в сфере государственного регулирования и контроля цен и тарифов в 2012 году и об основных задачах на 2013 год
Подробнее...Предложения организаций, осуществляющих регулируемую деятельность о размере подлежащих государственному регулированию цен (тарифов) на 2013 год
Подробнее...
КОНТАКТЫ
360051, КБР, г. Нальчик
ул. Горького, 4
тел: 8 (8662) 40-93-82
факс: 8 (8662) 47-31-81
e-mail:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
