Электрический ток как образуется: что это такое и как он возникает

что это такое и как он возникает

Без электричества невозможно представить жизнь современного человека. Вольты, Амперы, Ватты – эти слова звучат в разговоре об устройствах, которые работают от электричества. Но что это такое электрический ток и каковы условия его существования? Об этом мы расскажем далее, предоставив краткое объяснение для начинающих электриков.

Определение

Электрическим током является направленное движение носителей зарядов – это стандартная формулировка из учебника физики. В свою очередь носителями заряда называются определенные частицы вещества. Ими могут быть:

• Электроны – отрицательные носители заряда.
• Ионы – положительные носители заряда.

Но откуда берутся носители заряда? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить базовые знания о строении вещества. Всё что нас окружает – вещество, оно состоит из молекул, мельчайших его частиц. Молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны на заданных орбитах. Молекулы также хаотично движутся. Движение и структура каждой из этих частиц зависят от самого вещества и влияния на него окружающей среды, например температуры, напряжения и прочего.

Ионом называют атом, у которого изменилось соотношение электронов и протонов. Если изначально атом нейтрален, то ионы в свою очередь делят на:

• Анионы – положительный ион атома, потерявшего электроны.
• Катионы – это атом с «лишними» электронами, присоединившиеся к атому.

Единица измерения тока – Ампер, согласно закону Ома он вычисляется по формуле:

I=U/R,

где U – напряжение, [В], а R – сопротивление, [Ом].

Или прямопропорционален количеству заряда, перенесенному за единицу времени:

I=Q/t,

где Q – заряд, [Кл], t – время, [с].

Условия существования электрического тока

Что такое электрический ток мы разобрались, теперь давайте поговорим о том, как обеспечить его протекание. Для протекания электрического тока необходимо выполнение двух условий:

1. Наличие свободных носителей заряда.
2. Электрическое поле.

Первое условие существования и протекания электричества зависит от вещества, в котором протекает (или не протекает) ток, а также его состояния. Второе условие также выполнимо: для существования электрического поля обязательно наличие разных потенциалов, между которыми находится среда, в которой будут протекать носители заряда.

Напомним: Напряжение, ЭДС – это разность потенциалов. Отсюда следует, что для выполнения условий существования тока – наличия электрического поля и электрического тока, нужно напряжение. Это могут быть обкладки заряженного конденсатора, гальванический элемент, ЭДС возникшее под действием магнитного поля (генератор).

Как он возникает, мы разобрались, давайте поговорим о том, куда он направлен. Ток, в основном, в привычном для нас использовании, движется в проводниках (электропроводка в квартире, лампочки накаливания) или в полупроводниках (светодиоды, процессор вашего смартфона и другая электроника), реже в газах (люминесцентные лампы).

Так вот основными носителями заряда в большинстве случаев являются электроны, они движутся от минуса (точки с отрицательным потенциалом) к плюсу (точке с положительным потенциалом, подробнее об этом вы узнаете ниже).

Но интересен тот факт, что за направление движения тока было принято движение положительных зарядов – от плюса к минусу. Хотя фактически всё происходит наоборот. Дело в том, что решение о направлении тока было принято до изучения его природы, а также до того, как было определено за счет чего протекает и существует ток.

Электрический ток в разных средах

Мы уже упоминали о том, что в различных средах электрический ток может различаться по типу носителей заряда. Среды можно разделить по характеру проводимости (по убыванию проводимости):

1. Проводник (металлы).
2. Полупроводник (кремний, германий, арсенид галия и пр).
3. Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).

В металлах

В металлах есть свободные носители зарядов, их иногда называют «электрическим газом». Откуда берутся свободные носители зарядов? Дело в том, что металл, как и любое вещество, состоит из атомов. Атомы, так или иначе движутся или колеблются. Чем выше температура металла, тем сильнее это движение. При этом сами атомы в общем виде остаются на своих местах, собственно и формируя структуру металла.

В электронных оболочках атома обычно есть несколько электронов, у которых связь с ядром достаточно слабая. Под воздействием температур, химических реакций и взаимодействия примесей, которые в любом случае находятся в металле, электроны отрываются от своих атомов, образуются положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся электроны называются свободными и двигаются хаотично.

Если на них будет воздействовать электрическое поле, например, если подключить к куску металла батарейку – хаотичное движение электронов станет упорядоченным. Электроны от точки, в которую подключен отрицательный потенциал (катод гальванического элемента, например), начнут двигаться к точке с положительным потенциалом.

В полупроводниках

Полупроводниками являются такие материалы, в которых в нормальном состоянии нет свободных носителей заряда. Они находятся в так называемой запрещенной зоне. Но если приложить внешние силы, такие как электрическое поле, тепло, различные излучения (световое, радиационное и пр.), они преодолевают запрещенную зону и переходят в свободную зону или зону проводимости. Электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными, образуя ионы – положительные носители зарядов.

Положительные носители в полупроводниках называются дырками.

Если просто передать энергию полупроводнику, к примеру нагреть, начнется хаотичное движение носителей заряда. Но если речь идет о полупроводниковых элементах, типа диода или транзистора, то на противоположных концах кристалла (на них нанесен металлизированный слой и припаяны выводы) возникнет ЭДС, но это не относится к теме сегодняшней статьи.

Если приложить источник ЭДС к полупроводнику, то носители заряда также перейдут в зону проводимости, а также начнется их направленное движение – дырки пойдут в сторону с меньшим электрическим потенциалом, а электроны – в сторону с большим.

В вакууме и газе

Вакуумом называют среду с полным (идеальный случай) отсутствием газов или минимизированным (в реальности) его количеством. Так как в вакууме нет никакого вещества, то и носителям заряда браться не откуда. Однако протекание тока в вакууме положило начало электронике и целой эпохе электронных элементов – электровакуумных ламп. Их использовали в первой половине прошлого века, а в 50-х годах они начали постепенно уступать месту транзисторам (в зависимости от конкретной сферы электроники).

Допустим, что у нас есть сосуд, из которого откачали весь газ, т.е. в нём полный вакуум. В сосуд помещено два электрода, назовем их анод и катод. Если мы подключим к катоду отрицательный потенциал источника ЭДС, а к аноду положительный – ничего не произойдет и ток протекать не будет. Но если мы начнем нагревать катод – ток начнет протекать. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией – испускание электронов с нагретой поверхности электрона.

На рисунке изображен процесс протекания тока в вакуумной лампе. В вакуумных лампах катод нагревают расположенной рядом нитью накала на рис (Н), типа такой, как в осветительной лампе.

При этом, если изменить полярность питания – на анод подать минус, а на катод подать плюс – ток протекать не будет. Это докажет, что ток в вакууме протекает за счет движения электронов от КАТОДА к АНОДУ.

Газ также как и любое вещество состоит из молекул и атомов, это значит, что если газ будет находиться под воздействием электрического поля, то при определенной его силе (напряжение ионизации) электроны оторвутся от атома, тогда будут выполнены оба условия протекания электрического тока – поле и свободные носители.

Как уже было сказано, этот процесс называется ионизацией. Она может происходить не только от приложенного напряжения, но и при нагреве газа, рентгеновском излучении, под воздействием ультрафиолета и прочего.

Ток через воздух потечет, даже если между электродами установить горелку.

Протекание тока в инертных газах сопровождается люминесценцией газа, это явление активно используется в люминесцентных лампах. Протекание электрического тока в газовой среде называется газовым разрядом.

В жидкости

Допустим, что у нас есть сосуд с водой в который помещены два электрода, к которым подключен источник питания. Если вода дистиллированная, то есть чистая и не содержит примесей, то она является диэлектриком. Но если мы добавим в воду немного соли, серной кислоты или любого другого вещества, образуется электролит и через него начнет протекать ток.

Электролит – вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы.

Если в воду добавить медный купорос, то на одном из электродов (катоде) осядет слой меди – это называется электролиз, что доказывает что электрический ток в жидкости осуществляется за счет движения ионов – положительных и отрицательных носителей заряда.

Электролиз – физико-химический процесс, который заключается в выделении на электродах компонентов составляющих электролит.

Таким образом происходит омеднение, золочения и покрытие другими металлами.

Заключение

Подведем итоги, для протекания электрического тока нужны свободные носители зарядов:

• электроны в проводниках (металлы) и вакууме;
• электроны и дырки в полупроводниках;
• ионы (анионы и катионы) в жидкости и газах.

Для того, чтобы движение этих носителей стало упорядоченны, нужно электрическое поле. Простыми словами — приложить напряжение на концах тела или установить два электрода в среде, где предполагается протекание электрического тока.

Также стоит отметить, что ток определенным образом воздействует на вещество, различают три типа воздействия:

• тепловое;
• химическое;
• физическое.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезно видео, в котором более подробно рассматриваются условия существования и протекания электрического тока:

Полезное по теме:

Электрическое напряжение — урок.

Физика, 8 класс.

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.

Электрический ток протекает в проводниках электричества. Например, в металлах электрический ток создают свободные электроны, в жидкостях — положительные и отрицательные ионы.
Чтобы мог образоваться электрический ток, необходимо наличие в веществе электрически заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться.

Свободные электроны и ионы сами по себе не могут перемещаться, необходима сила, воздействующая на них. Эту силу создаёт источник тока, который характеризуется электрическим напряжением.

Что такое электрическое напряжение, поможет выяснить его сравнение с течением реки. Течение — это тоже поток. Оно образуется только потому, что вода течёт с высокого места в низкое. Существует разница высот между истоком и устьем. Эта разница обеспечивает течение реки по всей её длине. Можно сказать, разница высот между истоком и устьем реки — своего рода напряжение.
Подобно действуют источники электрического тока, например, батарейка. У батарейки есть два полюса: плюс (+) и минус (-). В отрицательном полюсе накапливаются свободные электроны, а в положительном полюсе электронов меньше. Поэтому существует разница в концентрации зарядов. Эта разница между обоими полюсами батарейки создаёт электрическое напряжение.
В каждом источнике тока совершается работа, чтобы отделить положительные и отрицательные заряды, которые накапливаются в полюсах источника тока.

Например, в батарейках и аккумуляторах эта работа совершается в результате химических реакций, в фотоэлементах она совершается за счёт энергии света.

Электрическое напряжение характеризует возможность электрического поля совершать работу. 

Однако электроны могут перемещаться только тогда, когда образована замкнутая электрическая цепь.

В электрической цепи протекает ток, если в ней имеется источник тока. Чем выше электрическое напряжение источника тока, тем большую работу может совершить поток электронов.

Электрическое напряжение обозначается буквой U, единицей напряжения является вольт (В). Напряжение измеряется вольтметром.

6. Электрический ток — fizikalexcras

Интерактивное изложение материала по теме Электрический ток. Источники электрического тока  Электрический ток в различных средах

Сайд-шоу «Сила
электрического тока»
Формула
«Понятие силы тока»
Сайд-шоу
«Электрический разряд вокруг нас»
Слайд-шоу
«Зарождение грозового облака. Молния»
Слайд-шоу
«Аккумулятор»

Мы употребляем слово «ток», когда хотим сказать, что что-то течет, движется. Ток воды – это текущая вода в трубе или в реке. Вода движется. Соответственно, если мы говорим «электрический ток», значит, в данном случае, что-то течет по проводам. Но что может двигаться внутри куска металла?

Вероятно, только его частички. Так вот, электрический ток с точки зрения физики – это передвижение заряженных частиц внутри проводника. Мы знаем, что наэлектризованные предметы обладают способностью притягивать или отталкивать тела.

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц. Вода движется упорядоченно в трубах или русле реки под давлением или под действием силы притяжения, а что же заставляет перемещаться заряды в проводах? Заряженные частицы движутся под действием электрического поля. Движение
электронов в проводнике Если это поле исчезнет, то и заряды перестанут двигаться. Чтобы поле существовало в течение какого-либо времени, необходимо поддерживать его существование. Для этого и созданы источники электрического тока. Посмотрите видео  урок Электрический ток Сила тока- (18:51 ), Механизм возникновения
электрического тока 02. Условия для существования электрического тока

Источники тока

Видов источников тока в физике разработано множество. Ток возникает вследствие воздействия света, тепла, давления, механической работы и так далее. Разнообразные источники тока создаются людьми как в попытке найти альтернативные варианты источников энергии, так и в попытке приспособиться под конкретную ситуацию, требующую учитывать определенные условия. Пожалуй, одним из самых распространенных источников тока можно назвать гальванические элементы или батарейки, если по-простому.

Изобретены батарейки были очень давно, еще на заре освоения электроэнергии. Тогда ток еще и передавать-то на большие расстояние не умели, использовали только в рамках лаборатории. Но и по сей день разнообразные варианты батареек не утратили своей актуальности. Различают одноразовые и многоразовые батарейки – аккумуляторы.

Оба вида батареек в результате химических реакций внутри корпуса образуют два вида зарядов – положительный и отрицательный, которые выводят через отдельные полюса, и при соединении их проводником, образуют электрическое поле, способное поддерживать ток в проводнике.

Одноразовые батарейки в процессе эксплуатации вырабатывают весь свой потенциал и более непригодны. А аккумуляторы можно подзарядить многократно. При воздействии током на аккумулятор, химические реакции в нем запускаются в обратном направлении, вновь образуя заряды внутри батарейки.  

 Видео  Химические источники тока  

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

N_a
— 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  ρ_У— удельное сопротивление проводника,
l — длина проводника, 
S — площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры
и  эта зависимость выражается соотношением:

ρ_у = ρ_оу
( 1 + α ∆Т )

где
ρ_оу
 —
удельное сопротивление
металлического проводника при температуре Т =273К,
α —
термический коэффициент сопротивления,
∆Т
= Т — Т_о 
— 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  ρ_У— 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.

Урок 32. электрический ток в металлах — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 32. Электрический ток в металлах

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) прохождение тока в металлах;

2) зависимость сопротивления металлов от температуры;

3) явление сверхпроводимости.

Глоссарий по теме

Свободные электроны – это электроны, не связанные с определенными атомами.

Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.

Температурный коэффициент сопротивления — величина, равная относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на 1 К.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 216-224.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2009.- С.81-89.

М.М. Балашов О природе М., Просвещение, 1991г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон Сборник качественных задач по физике. М., Просвещение, 2006

Я.И. Перельман Занимательная физика. М.: “Наука”, 1991.

Основное содержание урока

Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

А) электронную,

Б) ионную,

В) смешанную.

Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?

После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.

Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую проволоку приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и Р. Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.

После анализа имеющихся данных о прохождении тока в металлах разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Основные положения электронной теории проводимости металлов.

1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.

2.Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.

Опираясь на данную теорию удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах. Исходя из электронной теории можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов.

Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:

Отсюда . По этой формуле можно найти среднюю скорость движения электронов.

Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, то мы увидим, что средняя скорость движения электронов составляет всего лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда говорят о скорости распространения тока имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.

На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры. Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.

зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:

При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления.

Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

где ρ0 — удельное сопротивление при 0 градусов,

t — температура,

α — температурный коэффициент сопротивления.

Графиком зависимости ⍴(t) является прямая.

Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим.

При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг — Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах.

Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г.

В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.

В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.

На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Сопротивление железного проводника при 0 ⁰ С и 600 ⁰С равны соответственно 2 Ом и 10 Ом. Каков температурный коэффициент железа?

Решение:

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

Из этой формулы выразим температурный коэффициент железа – α

После подстановки числовых данных получаем

2. Какова скорость дрейфа электронов в медном проводе диаметром 5 мм, по которому к стартеру грузовика подводится ток 100 А. Молярная масса меди

Дано:

I=100 А

d=0,005 м

____________

υ=?

Решение:

Сила тока в проводнике равна:

Выразим скорость из этой формулы:

Концентрацию электронов найдем по формуле:

Число электронов найдём по формуле:

Площадь сечения равна:

Учитывая всё это запишем конечную формулу для расчёта скорости дрейфа электронов:

После подстановки числовых данных получим:

υ=0,4 мм/с

Ответ: υ=0,4 мм/с

Что такое ток и как он образуется.

Электрический ток

Сегодня трудно представить жизнь без такого явления, как электричество, а ведь использовать его в своих целях человечество научилось не так уж и давно. Изучение сущности и характеристик этого особого вида материи заняло несколько столетий, однако и в настоящее время нельзя с уверенностью сказать, что мы знаем о нем абсолютно все.

Понятие и сущность электрического тока

Электрический ток, как известно еще из школьного курса физики, есть не что иное, как упорядоченное движение каких-либо заряженных частиц. В качестве последних могут выступать как отрицательно заряженные электроны, так и ионы. Считается, что данный вид материи может возникнуть только в так называемых проводниках, однако это далеко не так. Все дело в том, что при соприкосновении любых тел всегда возникает определенное количество противоположно заряженных частиц, которые могут начать передвигаться. В диэлектриках свободное передвижение тех же электронов очень сильно затруднено и требует огромных внешних усилий, поэтому и говорят, что они электрический ток не проводят.

Условия существования тока в цепи

Ученые уже достаточно давно заметили, что данное физическое явление не может возникнуть и длительное время удерживаться само по себе. Условия существования электрического тока включают в себя несколько важнейших положений. Во-первых, это явление невозможно без наличия свободных электронов и ионов, которые и исполняют роль передатчиков зарядов. Во-вторых, чтобы эти элементарные частицы начали упорядоченно двигаться, необходимо создать поле, основным признаком которого является разность потенциалов между любыми точками электрика. Наконец, в-третьих, электрический ток не может существовать длительное время только под воздействием кулоновских сил, так как постепенно потенциалы будут выравниваться. Именно поэтому необходимы определенные компоненты, являющиеся преобразователями различных видов механической и тепловой энергии. Их принято называть источниками тока.

Вопрос об источниках тока

Источники электрического тока представляют собой специальные устройства, которые генерируют электрическое поле. К важнейшим из них можно отнести гальванические элементы, солнечные батареи, генераторы, аккумуляторы. характеризуются своей мощностью, производительностью и длительностью работы.

Сила тока, напряжение, сопротивление

Как и любое другое физическое явление, электрический ток имеет целый ряд характеристик. К важнейшим из них относится его сила, напряжение цепи и сопротивление. Первая из них представляет собой количественную характеристику заряда, который проходит через сечение того или иного проводника в единицу времени. Напряжение (называемое также электродвижущей силой) есть не что иное, как величина разности потенциалов, за счет которой проходящий заряд совершает определенную работу. Наконец, сопротивление — это внутренняя характеристика проводника, показывающая, какую силу должен затратить заряд на прохождение по нему.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле \(\overrightarrow{E} \), то на свободные заряды \(q\) в проводнике будет действовать сила \(\overrightarrow{F} = q\overrightarrow{E}\) В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю.

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда.

Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.

За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока
\(I\) — скалярная физическая величина, равная отношению заряда \(\Delta q\), переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени \(\Delta t\), к этому интервалу времени:

$$I = \frac{\Delta q}{\Delta t} $$

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным

.

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в Амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи

, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения
. Такие устройства называются источниками постоянного тока

. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами

.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против
сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы \(A_{ст}\) сторонних сил при перемещении заряда \(q\) от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется
электродвижущей силой источника

(ЭДС):

$$ЭДС=\varepsilon=\frac{A_{ст}}{q}. $$

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в Вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными

. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными

.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов \(\Delta \phi_{12} = \phi_{1} — \phi_{2}\) между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе \(\mathcal{E}\), действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

$$U_{12} = \phi_{1} — \phi_{2} + \mathcal{E}$$

Величину U
12 принято называть напряжением

на участке цепи 1-2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

$$U_{12} = \phi_{1} — \phi_{2}$$

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока \(I\), текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению \(U\) на концах проводника:

$$I = \frac{1}{R} U; \: U = IR$$

где \(R\) = const.

Величину R
принято называть электрическим сопротивлением

. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором

. Данное соотношение выражает закон Ома для

однородного участка цепи:

сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит Ом

(Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными

. Графическая зависимость силы тока \(I\) от напряжения \(U\) (такие графики называются вольт-амперными характеристиками

, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

$$IR = U_{12} = \phi_{1} — \phi_{2} + \mathcal{E} = \Delta \phi_{12} + \mathcal{E}$$
$$\color{blue}{I = \frac{U}{R}}$$

Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома
или законом Ома для неоднородного участка цепи
.

На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd
) является однородным.

По закону Ома

$$IR = \Delta\phi_{cd}$$

Участок (ab
) содержит источник тока с ЭДС, равной \(\mathcal{E}\).

По закону Ома для неоднородного участка,

$$Ir = \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$

Сложив оба равенства, получим:

$$I(R+r) = \Delta\phi_{cd} + \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$

Но \(\Delta\phi_{cd} = \Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab}\).

$$\color{blue}{I=\frac{\mathcal{E}}{R + r}}$$

Эта формула выражает закон Ома для полной цепи

: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи (внутреннего сопротивления источника).

Сопротивление r
неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока

. В этом случае участок (ab
) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a
и b
замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (\(R\ \ll r\)), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

$$I_{кз}=\frac{\mathcal{E}}{r}$$

Сила тока короткого замыкания — максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением \(r\). У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r
равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.

Если внешняя цепь разомкнута, то \(\Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab} = \mathcal{E}\), т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.

Если внешнее нагрузочное сопротивление R
включено и через батарею протекает ток I
, разность потенциалов на ее полюсах становится равной

$$\Delta \phi_{ba} = \mathcal{E} — Ir$$

На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением r
в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность \(\overrightarrow{E}\) электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды:\(\overrightarrow{F}_{э}\) — электрическая сила и \(\overrightarrow{F}_{ст}\) — сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы — вольтметры
и амперметры
.

Вольтметр

предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно
участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{В}\). Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:

$$R_{В} \gg R_{1}$$

Это условие означает, что ток \(I_{В} = \Delta \phi_{cd} / R_{В}\), протекающий через вольтметр, много меньше тока \(I = \Delta \phi_{cd} / R_{1}\), который протекает по тестируемому участку цепи.

Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметр

предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{А}\). В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию

$$R_{А} \ll (r + R_{1} + R{2})$$

чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.

Измерительные приборы — вольтметры и амперметры — бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

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.

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.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Заряд в движении. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как, например, молния. Или это может быть контролируемый процесс в генераторах, батареях, солнечных или топливных элементах. Сегодня мы рассмотрим само понятие «электрический ток» и условия существования электрического тока.

Электрическая энергия

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, поступает в виде переменного тока из электрической сети. Он создается генераторами, работающими по закону индукции Фарадея, благодаря которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике.

Генераторы имеют вращающиеся катушки провода, которые проходят через магнитные поля по мере их вращения. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и создают электрический ток, меняющий направление на каждом повороте. Ток проходит через полный цикл вперед и назад 60 раз в секунду.

Генераторы могут питаться от паровых турбин, нагретых углем, природным газом, нефтью или ядерным реактором. Из генератора ток проходит через ряд трансформаторов, где растет его напряжение. Диаметр проводов определяет величину и силу тока, которую они могут переносить без перегрева и потери энергии, а напряжение ограничено только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.

Интересно отметить, что ток переносится только одним проводом, а не двумя. Две его стороны обозначаются как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока изменяется 60 раз в секунду, они имеют и другие названия — горячие (магистральные линии электропередач) и заземленные (проходящие под землей для замыкания цепи).

Зачем нужен электрический ток?

Существует масса возможностей применения электротока: он может осветить ваш дом, вымыть и высушить одежду, поднять дверь вашего гаража, заставить вскипеть воду в чайнике и дать возможность работать другим бытовым предметам, которые значительно облегчают нам жизнь. Тем не менее все более важным становится способность тока передавать информацию.

При подключении к Интернету компьютером используется лишь небольшая часть электрического тока, но это то, без чего современный человек не представляет своей жизни.

Понятие об электрическом токе

Подобно речному течению, потоку молекул воды, электрический ток — это поток заряженных частиц. Что это такое, что его вызывает, и почему он не всегда идет в одном направлении? Когда вы слышите слово «течет», о чем вы думаете? Возможно, это будет река. Это хорошая ассоциация, потому что именно по этой причине электрический ток получил свое название. Он очень похож на поток воды, только вместо молекул воды, движущихся по руслу, заряженные частицы движутся по проводнику.

Среди условий, необходимых для существования электрического тока, есть пункт, предусматривающий наличие электронов. Атомы в проводящем материале имеют много этих свободных заряженных частиц, которые плавают вокруг и между атомами. Их движение является случайным, поэтому поток в каком-либо заданном направлении отсутствует. Что же нужно, чтобы существовал электрический ток?

Условия существования электрического тока включают в себя наличие напряжения. Когда оно применяется к проводнику, все свободные электроны будут двигаться в одном направлении, создавая ток.

Любопытно об электрическом токе

Интересно то, что когда электрическая энергия передается через проводник со скоростью света, сами электроны движутся намного медленнее. На самом деле, если бы вы не спеша прошли рядом с токопроводящей проволокой, ваша скорость была бы в 100 раз быстрее, чем двигаются электроны. Это обусловлено тем, что им не нужно преодолевать огромные расстояния, чтобы передавать энергию друг другу.

Прямой и переменный ток

Сегодня широко используются два разных типа тока — постоянный и переменный. В первом электроны движутся в одном направлении, с «отрицательной» стороны на «положительную». Переменный ток толкает электроны назад и вперед, изменяя направление потока несколько раз в секунду.

Генераторы, используемые на электростанциях для производства электроэнергии, предназначены для производства переменного тока. Вы, наверное, никогда не обращали внимание на то, что свет в вашем доме на самом деле мерцает, поскольку текущее направление меняется, но это происходит слишком быстро, чтобы глаза смогли это распознать.

Каковы условия существования постоянного электрического тока? Зачем нам нужны оба типа и какой из них лучше? Это хорошие вопросы. Тот факт, что мы все еще используем оба типа тока, говорит о том, что они оба служат определенным целям. Еще в XIX веке было понятно, что эффективная передача мощности на большие расстояния между электростанцией и домом была возможна лишь при очень высоком напряжении. Но проблема заключалась в том, что отправка действительно высокого напряжения была чрезвычайно опасной для людей.

Решение этой проблемы состояло в том, чтобы уменьшить напряжение вне дома, прежде чем отправлять его внутрь. И по сей день постоянный электрический ток используется для передачи на большие расстояния, в основном из-за его способности легко преобразовываться в другие напряжения.

Как работает электрический ток

Условия существования электрического тока включают в себя наличие заряженных частиц, проводника и напряжения. Многие ученые изучали электричество и обнаружили, что существует два его типа: статическое и текущее.

Именно второе играет огромную роль в повседневной жизни любого человека, так как представляет собой электрический ток, который проходит через цепь. Мы ежедневно используем его для питания наших домов и многого другого.

Что такое электрический ток?

Когда в цепи циркулируют электрические заряды из одного места в другое, возникает электрический ток. Условия существования электрического тока включают в себя, помимо заряженных частиц, наличие проводника. Чаще всего это провод. Схема его представляет собой замкнутый контур, в котором ток проходит от источника питания. Когда же цепь разомкнута, он не может закончить путь. Например, когда свет в вашей комнате выключен, цепь разомкнута, но когда цепь замкнута, свет горит.

Мощность тока

На условия существования электрического тока в проводнике большое влияние оказывает такая характеристика напряжения, как мощность. Это показатель того, сколько энергии используется в течение определенного периода времени.

Существует много разных единиц, которые могут использоваться для выражения данной характеристики. Однако электрическая мощность почти измеряется в ваттах. Один ватт равен одному джоулю в секунду.

Электрический заряд в движении

Каковы условия существования электрического тока? Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как молния или искра от трения с шерстяной тканью. Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества, благодаря которой горит свет и работают приборы. Большая часть электрического заряда переносится отрицательными электронами и положительными протонами внутри атома. Однако вторые в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому работа по переносу заряда из одного места в другое проделывается электронами.

Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени свободны для перехода от одного атома к другому вдоль их зон проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. Достаточная электродвижущая сила или напряжение создает дисбаланс заряда, который может вызвать движение электронов через проводник в виде электрического тока.

Если провести аналогию с водой, то возьмем, к примеру, трубу. Когда мы открываем клапан на одном конце, чтобы вода попала в трубу, то нам не нужно ждать, пока эта вода проложит весь путь до ее конца. Мы получаем воду на другом конце почти мгновенно, потому что входящая вода толкает воду, которая уже находится в трубе. Это то, что происходит в случае электрического тока в проводе.

Электрический ток: условия существования электрического тока

Электрический ток обычно рассматривается как поток электронов. Когда два конца батареи соединены друг с другом с помощью металлической проволоки, эта заряженная масса через провод попадает из одного конца (электрода или полюса) батареи на противоположный. Итак, назовем условия существования электрического тока:

1. Заряженные частицы.
2. Проводник.
3. Источник напряжения.

Однако не все так просто. Какие условия необходимы для существования электрического тока? На этот вопрос можно ответить более подробно, рассмотрев следующие характеристики:

• Разность потенциалов (напряжение).
  Это одно из обязательных условий. Между 2 точками должна быть разница потенциалов, означающая, что отталкивающая сила, которая создается заряженными частицами в одном месте, должна быть больше, чем их сила в другой точке. Источники напряжения, как правило, не встречаются в природе, и электроны распределяются в окружающей среде достаточно равномерно. Все же ученым удалось изобрести определенные типы приборов, где эти заряженные частицы могут накапливаться, тем самым создавая то самое необходимое напряжение (например, в батарейках).
• Электрическое сопротивление (проводник).
  Это второе важное условие, которое необходимо для существования электротока. Это путь, по которому перемещаются заряженные частицы. В качестве проводников выступают только те материалы, которые дают возможность электронам свободно перемещаться. Те же, у которых этой способности нет, называются изоляторами. Например, проволока из металла будет отличным проводником, в то время как ее резиновая оболочка будет превосходным изолятором.

Тщательно изучив условия возникновения и существования электрического тока, люди смогли приручить эту мощную и опасную стихию и направить ее на благо человечества.

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

2. При каких условиях возникает электрический ток?

Электрический ток возникает, если имеются свободные заряды, а так же в результате действия внешнего электрического поля. Для получения электрического поля достаточно создать разность потенциалов между какими-то двумя точками проводника.

3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?

Если отсутствует внешнее электрическое поле, то отсутствует и дополнительная составляющая скорости направленная вдоль напряженности электрического поля, а значит, все направления движения частиц равноправны.

4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?

В отсутствии электрического поля движение заряженных частиц хаотично, а при его наличии — движение частиц это результат хаотичного и поступательного движений.

5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?

За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике электроны движутся в сторону, противоположную направлению тока.

виды и применение электротока, основные понятия, движение носителей заряда, формулы

Применение электрического тока разнообразно, поскольку невозможно представить без него жизнь человечества. Следует понимать его природу возникновения, чтобы направить энергию во благо, а не во вред. Электрический ток подчиняется законам физики, которые используются для изготовления различных устройств. Для его грамотного использования нужно знать основные электрические величины.

Основные понятия

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.

Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление. В некоторых источниках можно встретить такое определение: электроток — скорость, с которой происходит изменение зарядов элементарных частиц в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разность потенциалов). Свойства, которыми обладает электроток: тепловое, механическое, химическое и создание электромагнитного поля.

Сила и тип тока

Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.

Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки. В диэлектриках нет вообще носителей заряда, следовательно, этот факт исключает проводимость электричества вообще.

Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). 1 А — единица измерения силы неизменяющегося тока, который проходит по двум проводникам бесконечной длины и очень малой площади поперечного сечения, являющимися параллельными между собой и расположенными в вакуумном пространстве на расстоянии одного метра друг от друга, причем каждый метр такого проводника может вызывать силу взаимодействия, равную 2*10^(-7) Н.

Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.

Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.

Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.

Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида. Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение силовой характеристики Iм, время t и угловую частоту w = 2 * 3,1416 * f (частота тока источника питания): i = Iм * sin (w * t). Еще одной величиной, характеризующей электроток, является напряжение или разность потенциалов.

Разность потенциалов

Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.

При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.

Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.

Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.

Условия получения и законы

Электроток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник. Но также справедливо и обратное утверждение, доказывающее возникновение электрического поля в результате протекания тока. Важными условиями его получения являются такие факторы: наличие свободных электронов и источника напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, которая способствует «вырыванию» из кристаллической решетки этих частиц.

Проводимость веществ

Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре проводника возникает движение атомов, некоторые из них распадаются и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействует с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепловую. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника. Оно зависит от следующих составляющих:

• Температуры.
• Типа вещества.
• Длины проводника.
• Площади поперечного сечения.

При уменьшении температуры вещества происходит снижение его сопротивления. Зависимость от типа вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Они образуют между собой кристаллическую решетку, причем у каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, а следовательно, отличается от других наличием носителей заряда.

Кроме того, потоку заряженных частиц сложнее пройти через длинный проводник с маленьким значением его площади поперечного сечения.

Проводником является и электролит или жидкость, проводящая электрический ток. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые бывают положительно (анионы) и отрицательно (катионы) заряжены. Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Перемещение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы перемещаются к аноду, а анионы — к катоду.

При протекании тока через электролит происходит его нагревание, в результате которого увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы способны проводить электроток тоже. Носителями заряда в них являются ионы и электроны, а сам «заряженный газ» называется плазмой.

Электричество в полупроводниках подчиняется тем же законам, что и в проводниках, но есть некоторые отличия. Представлять носители заряда в них могут электроны и дырки. При уменьшении температуры сопротивление его возрастает. При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а в месте, где они были, происходит образование дырки. Однако она притягивает другой электрон, который находится рядом. Так и происходит движение дырок. Следовательно, сумма дырочного и электронного электромагнитных полей образует электроток.

Основные соотношения

Все явления подчиняются физическим законам, и электричество не является исключением. Основные соотношения зависимости одной величины от других описаны в законах, которые применяются для расчета различных схем для простых и сложных устройств. Кроме того, правила помогают избежать различных аварийных ситуаций, поскольку электричество может служить и во вред человечеству, вызывая пожары, травмы и даже смерть.

Основным законом, используемым в электротехнике, является закон Ома для участка и полной цепи. Для участка цепи он показывает зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R и его формулировка следующая: ток, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален значению напряжения и обратно пропорционален сопротивлению этого участка (I = U / R).

Для полной цепи, в которой существует электродвижущая сила (e) и внутреннее сопротивление источника питания: формулировка выглядит следующим образом: ток, протекающий в полной цепи, прямо пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи с учетом внутреннего сопротивления источника питания (i = e / (R + Rвн)).

Из этих законов можно получить следствия, которые нужны для нахождения величин напряжения, ЭДС и сопротивлений. Следствия из законов Ома:

• R = U / I.
• U = I * R.
• e = i * (R + Rвн).
• R = (e / i) — Rвн.
• Rвн = (e / i) — R.

Электроток, при прохождении через проводник или полупроводник, совершает работу, при которой выделяется тепловая энергия. Это одно из его свойств. Ее численное значение определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.

Закон показывает зависимость количества теплоты от величин напряжения и силы тока, а также времени протекания электротока.

Его формулировка следующая: количество теплоты Q, выделяемое током при протекании через проводник за единицу времени, прямо пропорционально зависит от напряжения и силы тока (Q = U * I * t). Следствия из этого закона следующие:

• • Q = sqr (I) * R * t.
  • Q = (sqr (U) * t) / R.
  • I = Q / (U * t).
  • I = sqrt ((Q / (R * t)).
  • U = Q / (I * t).
  • U = sqrt (Q * R * t).
  • t = Q / (U * I).
  • t = Q / (sqr (I) * R).

• Q = P * t.
• P = Q / t.
• t = Q / P.

Величина Р является мощностью и вычисляется по формуле: Р = U * I. Если электрический ток в цепи не совершает механическую работу и не производит никакого действия, то все электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. A = Q.

Опытным путем было установлено, что при пересечении линий электромагнитной индукции проводником замкнутого типа в нем появляется электроток. Закон о влиянии электромагнитного поля на возникновение тока называется законом Фарадея. Он гласит: отрицательное значение ЭДС электромагнитной индукции в контуре, который является замкнутым, равно изменению магнитного потока с течением времени. Из закона Фарадея следует, что при движении проводника в постоянном магнитном поле на концах первого возникает разность потенциалов. Этот принцип используется для изготовления генераторов, трансформаторов и т. д.

Таким образом, электрический ток, как все явления и процессы, подчиняется определенным законам, которые позволяют не только контролировать, но и избегать негативных последствий, связанных с его работой. Производить расчеты нужно и для экономии времени, поскольку подбор номинала какого-либо элемента схемы может привести к выходу из строя устройства.

Всегда ли в источнике электричества заканчиваются электроны?

Категория: Физика      Опубликовано: 17 марта 2016 г.

Изображение общественного достояния,
источник: НОАА.

Ответ на этот вопрос зависит от ситуации. Мы можем грубо разделить все электрические системы на две категории: системы статического электричества и электрические цепи. Обратите внимание, что все электрические эффекты на самом деле являются частью единого набора физических законов. Таким образом, эта классификация является в конечном счете произвольной и чрезмерно упрощенной.Однако этой классификации достаточно для нашей текущей цели понимания электрического тока.

Система статического электричества предполагает протекание электрического тока в результате накопления где-либо электрического заряда. Такая система не предполагает замкнутой электрической цепи. Примеры этого типа системы включают молнию и искры, которые вы получаете, когда третесь ногами о ковер. Электроны естественным образом отталкиваются друг от друга. Когда много электронов скапливается в одном месте, они могут сталкиваться друг с другом так сильно, что часть электронов сразу отбрасывается от объекта.В конечном итоге они выталкиваются через воздух, воду или что-либо, что окружает объект. Мы называем совокупность движущихся электронов электрическим током, поэтому накопление заряда может вызвать ток. Электроны просто утекают из кучи и в конечном итоге прикрепляются к атомам в окружающей среде. Таким образом, у нас может быть электрический ток, даже если у нас нет полной электрической цепи. В воздухе электрический ток принимает форму темного разряда, коронного разряда или искр (в зависимости от того, является ли ток слабым, средней силы или сильным соответственно). Обратите внимание, что название «статическое электричество» — неудачное название, поскольку электрический заряд не всегда стационарен в системах такого типа. Более точными названиями были бы «внесхемное электричество» или «электричество накопления заряда».

Поскольку накопление заряда является причиной электрического тока в системах статического электричества, ток перестанет течь, как только накопление исчезнет. По мере того, как электроны утекают из кучи, куча становится меньше. В конце концов, куча избыточных электронов исчезает (электроны, необходимые для поддержания нейтральности молекул, все еще остаются, но они мало что делают).В буквальном смысле электричество перестает течь, потому что в источнике заканчиваются лишние электроны. Вот почему молнии и искры между статически заряженными носками быстро исчезают. Дело не в том, что электроны разрушаются. Скорее, они просачиваются в отдаленные точки, пока их не останется.

В противоположность этому, в системах электроснабжения цепей электрический ток протекает по замкнутому контуру. Этот ток является результатом работы зарядового насоса где-то в петле. Этот насос также называется источником напряжения и может иметь форму батареи, солнечной батареи, генератора или шнура от электросети.Насос создает разность потенциалов вдоль цепи, которая перемещает заряды, подобные электронам, по цепи. Насос может либо постоянно качать электроны в одном направлении, что приводит к постоянному току (DC), либо периодически отключать направление, в котором он качает электроны, что приводит к переменному току (AC). Для простоты остановимся на постоянном токе.

По мере того, как электроны проходят через цепь, они стекают вниз по кривой потенциальной энергии, создаваемой напряжением.Как только они достигают насоса в конце цепи, низкоэнергетические электроны снова разгоняются до высокой потенциальной энергии, чтобы они могли снова начать течь по цепи. Ситуация немного напоминает искусственный водопад на заднем дворе. Вода стекает по водопаду в бассейн из-за естественного притяжения, точно так же, как электроны текут по цепи из-за притяжения приложенного напряжения. Затем водяной насос возвращает воду в бассейне в состояние с высокой энергией в верхней части водопада, точно так же, как батарея возвращает электроны обратно в состояние с более высокой энергией в начале цепи.Затем цикл повторяется.

Поскольку накачка заряда является причиной электрического тока в электрической системе цепи, ток никогда не перестанет течь, пока насос остается включенным и цепь остается непрерывной. Цепи не создают, не разрушают, не расходуют и не теряют электроны. Они просто носят электроны по кругу. По этой причине электрические схемы не могут исчерпать электроны. Энергия, передаваемая по цепи, не является результатом присутствия электронов в цепи.Электроны всегда существуют в цепи как часть атомов и молекул, составляющих цепь. Доставляемая электрическая энергия является результатом движения электронов по цепи. Выключите насос (т.е. отсоедините аккумулятор), и электроны перестанут двигаться по цепи. Но электроны никуда не делись. Они все еще существуют как естественная часть материалов в цепи.

Как я уже говорил, деление систем на статические и схемные несколько условно и упрощенно.Реальные электрические системы содержат комбинацию обоих эффектов. Например, цепь часто содержит конденсатор. В то время как схема в целом действует как электрическая система цепи, конденсатор действует больше как система статического электричества. В результате в конденсаторе действительно могут закончиться электроны. Как только одна сторона конденсатора истощится от электронов, электрический ток перестанет течь через конденсатор. В этот момент часть цепи, содержащая конденсатор, переключается с действия электрической системы цепи на систему статического электричества.Это происходит в том смысле, что ток теперь останавливается из-за нехватки электронов, а не из-за отсутствия электронной помпы или отсутствия полной цепи.

Темы:
заряд, ток, электричество, электрон, статическое электричество

Электричество в природе | Гидро-Квек

Молния

Молния и гром происходят одновременно, но молния движется со скоростью, близкой к скорости света, а гром движется со скоростью звука, примерно в 866 000 раз медленнее скорости света, что объясняет задержку между двумя явлениями.

Разряд молнии может достигать 30 миллионов вольт, что эквивалентно 2,5 миллионам автомобильных аккумуляторов!

Каждая секунда между моментом удара молнии в землю и моментом, когда мы слышим гром, соответствует 300 метрам. Значит, если считать 3 секунды, молния ударила на расстоянии 900 метров.

Молния — это в основном статическое электричество, вызванное огромными концентрациями капель дождя, трущихся друг о друга высоко в небе.

Электрическая рыба

На самом деле существуют виды рыб — некоторые виды скатов, угрей и сомов, — которые имеют специальные органы, испускающие электрические разряды.

Они используют эти разряды, чтобы парализовать добычу, защищаться или находить предметы.

Электрические угри ( Electrophorus electricus ), обитающие в реках Южной Америки, производят достаточно электроэнергии, чтобы питать дюжину 40-ваттных лампочек.

Солнечные бури

Активность Солнца усиливается каждые 11 лет, создавая бури на поверхности нашей звезды, которые, в свою очередь, нарушают магнитное поле Земли.Эти магнитные бури могут вызвать серьезные проблемы в системах электропередачи.

Истерики Солнца

Солнечные циклы — явление относительно неизвестное и сложное. Однако ученые заметили, что количество солнечных пятен, появляющихся на поверхности Солнца, достигает своего максимума каждые 11 лет. Эти темные пятна находятся под наблюдением уже почти 400 лет, с момента изобретения телескопа, и являются источником солнечных вспышек, при которых внезапно высвобождается огромное количество энергии.Сильнейшие из них так же мощны, как 40 миллиардов атомных бомб! Эта энергия нагревает окружающие газы, выбрасывая из Солнца огромные пузыри сверхгорячего вещества. Эти массы протонов и электронов, известные как плазменные шлейфы, могут в конечном итоге столкнуться с Землей.

Следующая остановка, Земля!

Поток газа и частиц, испускаемых Солнцем, движется с невероятной скоростью от 300 до 1200 км/с! Но даже при этом солнечному ветру потребуется несколько дней, чтобы пройти 150 миллионов километров, разделяющих Солнце и Землю.Мы уже знаем, что фотоны достигают Земли за восемь минут. Заряженные частицы движутся медленнее и достигают нас от двух до пяти дней. К счастью, магнитное поле отклоняет большинство из них. Те, что проникают в атмосферу, генерируют мощные электрические токи, движущиеся и меняющиеся по интенсивности. Эти электрические токи могут путешествовать на высоте около ста километров (в ионосфере) в течение нескольких минут, нескольких часов и даже нескольких дней. Результатом является прекрасное явление, которое мы знаем как северное сияние или северное сияние в северном полушарии и южное сияние или северное сияние в южном полушарии.

Полярное сияние — это звездные вспышки насыщенного цвета и завораживающей красоты: одно из самых захватывающих представлений Матери-природы.

К сожалению, эти яркие и красочные шоу — не единственное воздействие солнечного ветра. Электрические токи в ионосфере вызывают быстрые изменения напряженности магнитного поля Земли и вызывают так называемые магнитные бури. Они также индуцируют токи в земной коре, и эти токи пытаются течь через все, что является хорошим проводником, например, железнодорожные пути, трубопроводы, подводные кабели и линии электропередач.

Линии электропередачи соединены с землей через трансформаторы, которые обеспечивают путь наименьшего сопротивления, поэтому ток, создаваемый магнитными бурями, проходит через них. Но поскольку трансформаторы не рассчитаны на то, чтобы выдерживать этот тип тока, возникают искажения формы электрического сигнала. Система защиты воспринимает эту аномальную волну как перегрузку или скачок напряжения и «размыкает» или деактивирует часть передающего оборудования.Результатом является прерывание передачи и, возможно, отключение электроэнергии.

Побочные эффекты

Магнитные бури затрагивают не только линии электропередачи. Они могут нарушить спутниковую связь, радиосвязь, сотовые телефоны, телевизионные передачи в диапазоне УКВ и коротковолновую связь. Они также могут вызывать коррозию газо- и нефтепроводов. Было замечено, что огни железнодорожного переезда даже активируются сами по себе!

Напряжение и ток | Основные понятия электричества

Как упоминалось ранее, нам нужно нечто большее, чем просто непрерывный путь (т.е., цепь) до того, как возникнет непрерывный поток заряда: нам также нужны какие-то средства, чтобы проталкивать эти носители заряда по цепи. Точно так же, как шарики в трубе или вода в трубе, требуется какая-то сила воздействия, чтобы инициировать поток. В случае с электронами эта сила та же, что и в статическом электричестве: сила, возникающая из-за дисбаланса электрического заряда. Если мы возьмем примеры воска и шерсти, которые были натерты друг о друга, мы обнаружим, что избыток электронов в воске (отрицательный заряд) и дефицит электронов в шерсти (положительный заряд) создают дисбаланс заряда между ними.Этот дисбаланс проявляется как сила притяжения между двумя объектами:

Если между заряженным воском и шерстью поместить токопроводящую проволоку, через нее потекут электроны, так как часть избыточных электронов в воске устремится через проволоку, чтобы попасть обратно в шерсть, восполняя там недостаток электронов:

Дисбаланс электронов между атомами воска и атомами шерсти создает силу между двумя материалами. Поскольку у электронов нет пути для перехода от воска к шерсти, все, что может сделать эта сила, — это притянуть два объекта друг к другу.Однако теперь, когда проводник перекрывает изолирующую щель, сила заставит электроны течь в одном направлении по проводу, хотя бы на мгновение, пока заряд в этой области не нейтрализуется и сила между воском и шерстью не уменьшится. Электрический заряд, образующийся между этими двумя материалами при их трении друг о друга, служит для накопления определенного количества энергии. Эта энергия мало чем отличается от энергии, хранящейся в высоком резервуаре с водой, которая была перекачана из нижнего пруда:

.

Влияние гравитации на воду в резервуаре создает силу, которая пытается снова опустить воду на нижний уровень.Если подходящую трубу провести из резервуара обратно в пруд, вода под действием силы тяжести будет течь вниз из резервуара по трубе:

Требуется энергия, чтобы перекачать эту воду из пруда с низким уровнем в резервуар с высоким уровнем, а движение воды по трубопроводу обратно до ее первоначального уровня представляет собой высвобождение энергии, накопленной от предыдущей перекачки. Если воду перекачать на еще более высокий уровень, для этого потребуется еще больше энергии, поэтому больше энергии будет сохранено, и больше энергии будет высвобождено, если воде будет позволено снова течь по трубе обратно вниз:

Электроны мало чем отличаются.Если мы будем тереть воск и шерсть друг о друга, мы «откачиваем» электроны с их нормальных «уровней», создавая условия, при которых между воском и шерстью существует сила, поскольку электроны стремятся восстановить свои прежние позиции (и уравновесить внутри себя). соответствующие атомы). Сила, притягивающая электроны обратно в исходное положение вокруг положительно заряженных ядер их атомов, аналогична силе гравитации, действующей на воду в резервуаре, пытающуюся опустить ее до прежнего уровня. Точно так же, как перекачка воды на более высокий уровень приводит к накоплению энергии, «перекачивание» электронов для создания дисбаланса электрического заряда приводит к накоплению определенного количества энергии в этом дисбалансе.И точно так же, как обеспечение возможности для стекания воды с высоты резервуара приводит к высвобождению этой накопленной энергии, предоставление возможности электронам стекать обратно на их первоначальные «уровни» приводит к высвобождению накопленной энергии. Когда носители заряда находятся в равновесии в этом статическом состоянии (точно так же, как вода, стоящая неподвижно высоко в резервуаре), накопленная там энергия называется потенциальной энергией , потому что она имеет возможность (потенциал) высвобождения, которая не была полностью реализована. пока что.

Понимание концепции напряжения

Когда носители заряда находятся в равновесии в этом статическом состоянии (так же, как вода, сидящая неподвижно, высоко в резервуаре), энергия, хранящаяся там, называется потенциальной энергией, потому что она имеет возможность (потенциал) высвобождения, которая еще не полностью реализована. . Когда вы царапаете обувь на резиновой подошве по тканевому ковру в сухой день, вы создаете дисбаланс электрического заряда между собой и ковром. Действие шарканья ногами накапливает энергию в виде дисбаланса зарядов, вытесняемых с их первоначальных местоположений.Этот заряд (статическое электричество) является стационарным, и вы даже не заметите, что энергия вообще накапливается. Однако, как только вы приложите руку к металлической дверной ручке (с большим количеством подвижных электронов, чтобы нейтрализовать ваш электрический заряд), эта накопленная энергия будет высвобождена в виде внезапного потока заряда через вашу руку, и вы будете воспринимать это как удар током! Эта потенциальная энергия, хранящаяся в форме дисбаланса электрических зарядов и способная спровоцировать протекание носителей заряда через проводник, может быть выражена как термин, называемый напряжением, который технически является мерой потенциальной энергии на единицу заряда или чем-то, что физик назвал бы называют удельной потенциальной энергией.

Определение напряжения

В контексте статического электричества напряжение — это мера работы, необходимой для перемещения единичного заряда из одного места в другое против силы, которая пытается уравновесить электрические заряды. В контексте источников электроэнергии напряжение — это количество потенциальной энергии, доступной (работа, которую необходимо выполнить) на единицу заряда для перемещения зарядов по проводнику. Поскольку напряжение — это выражение потенциальной энергии, представляющее возможность или потенциал для высвобождения энергии. когда заряд перемещается с одного «уровня» на другой, он всегда определяется между двумя точками.Рассмотрим аналогию с водохранилищем:

.

Из-за разницы в высоте падения существует вероятность того, что гораздо больше энергии будет высвобождено из резервуара через трубопровод в точку 2, чем в точку 1. Принцип можно интуитивно понять при падении камня: в результате более сильный удар, камень упал с высоты одного фута или тот же камень упал с высоты одной мили? Очевидно, что падение с большей высоты приводит к выделению большей энергии (более сильному удару).Мы не можем оценить количество запасенной в водохранилище энергии, просто измерив объем воды, точно так же, как мы не можем предсказать серьезность удара падающего камня, просто зная вес камня: в обоих случаях мы должны также учитывать, как далеко эти массы упадут со своей первоначальной высоты. Количество энергии, высвобождаемой при падении массы, зависит от расстояния между его начальной и конечной точками. Точно так же потенциальная энергия, доступная для перемещения носителей заряда из одной точки в другую, зависит от этих двух точек.Поэтому напряжение всегда выражается как величина между двумя точками. Интересно, что аналогия массы, потенциально «падающей» с одной высоты на другую, является настолько подходящей моделью, что напряжение между двумя точками иногда называют падением напряжения .

Генерация напряжения

Напряжение может быть создано другими способами, кроме трения определенных типов материалов друг о друга. Химические реакции, лучистая энергия и влияние магнетизма на проводники — вот лишь несколько способов получения напряжения.Соответствующими примерами этих трех источников напряжения являются аккумуляторы, солнечные элементы и генераторы (например, «генератор переменного тока» под капотом вашего автомобиля). На данный момент мы не будем вдаваться в подробности того, как работает каждый из этих источников напряжения — важнее то, что мы понимаем, как можно применять источники напряжения для создания потока заряда в электрической цепи. Возьмем символ химической батареи и построим схему шаг за шагом:

Как работают источники напряжения?

Любой источник напряжения, включая аккумуляторы, имеет две точки электрического контакта.В этом случае у нас есть точка 1 и точка 2 на приведенной выше диаграмме. Горизонтальные линии разной длины указывают на то, что это батарея, и они также указывают направление, в котором напряжение этой батареи будет пытаться протолкнуть носители заряда по цепи. Тот факт, что горизонтальные линии в символе батареи кажутся разделенными (и, следовательно, не могут служить путем для потока заряда), не вызывает беспокойства: в реальной жизни эти горизонтальные линии представляют собой металлические пластины, погруженные в жидкость или полутвердый материал. который не только проводит заряды, но и генерирует напряжение, которое толкает их вперед, взаимодействуя с пластинами.Обратите внимание на маленькие знаки «+» и «-» слева от символа батареи. Отрицательный (-) конец батареи — это всегда конец с самой короткой чертой, а положительный (+) конец батареи — всегда конец с самой длинной чертой. Положительный конец батареи — это конец, который пытается вытолкнуть из нее носители заряда (помните, что по соглашению мы думаем о носителях заряда как о положительно заряженных, даже если электроны заряжены отрицательно). Точно так же отрицательный конец — это конец, который пытается притянуть носители заряда.Когда «+» и «-» концы батареи не подключены ни к чему, между этими двумя точками будет напряжение, но через батарею не будет протекать заряд, потому что нет непрерывного пути, по которому могут двигаться носители заряда.

Тот же принцип справедлив для аналогии с резервуаром для воды и насосом: без обратной трубы обратно в пруд накопленная в резервуаре энергия не может быть высвобождена в виде потока воды. Как только резервуар полностью заполнен, поток не может возникнуть, независимо от того, какое давление может создавать насос.Должен быть полный путь (контур) для потока воды из пруда в резервуар и обратно в пруд, чтобы обеспечить непрерывный поток. Мы можем обеспечить такой путь для батареи, подключив кусок провода от одного конца батареи к другому. Образуя цепь с петлей провода, мы инициируем непрерывный поток заряда по часовой стрелке:

Понимание концепции электрического тока

Пока батарея продолжает вырабатывать напряжение и непрерывность электрического пути не нарушена, носители заряда будут продолжать течь в цепи.Следуя метафоре воды, движущейся по трубе, этот непрерывный, равномерный поток заряда по цепи называется током . Пока источник напряжения продолжает «толкать» в том же направлении, носители заряда будут продолжать двигаться в том же направлении в цепи. Этот однонаправленный поток тока называется постоянным током или постоянным током. Во втором томе этой серии книг исследуются электрические цепи, в которых направление тока переключается туда и обратно: Переменный ток или переменный ток.Но сейчас мы просто займемся цепями постоянного тока. Поскольку электрический ток состоит из отдельных носителей заряда, протекающих в унисон через проводник, двигаясь и толкая вперед носители заряда, точно так же, как шарики через трубу или воду через трубу, величина потока в одной цепи будет одинаковой. в любой момент. Если бы мы наблюдали за поперечным сечением провода в одной цепи, подсчитывая протекающие носители заряда, мы бы заметили точно такое же количество в единицу времени, как и в любой другой части цепи, независимо от длины проводника или проводника. диаметр.Если мы разорвем непрерывность цепи в любой точке , электрический ток прекратится во всем контуре, и полное напряжение, создаваемое батареей, проявится через разрыв, между концами проводов, которые раньше были соединены:

Какова полярность падения напряжения?

Обратите внимание на знаки «+» и «-», нарисованные на концах разрыва цепи, и на то, как они соответствуют знакам «+» и «-» рядом с клеммами аккумулятора. Эти маркеры указывают направление, в котором напряжение пытается подтолкнуть ток, это направление потенциала обычно называют полярностью .Помните, что напряжение всегда относительно между двумя точками. Из-за этого факта полярность падения напряжения также является относительной между двумя точками: помечается ли точка в цепи знаком «+» или «-», зависит от другой точки, к которой она относится. Взгляните на следующую схему, где каждый угол петли отмечен числом для справки:

.

При разрыве цепи между точками 2 и 3 полярность падения напряжения между точками 2 и 3: «+» для точки 2 и «-» для точки 3.Полярность батареи (1 «+» и 4 «-») пытается протолкнуть ток через петлю по часовой стрелке от 1 к 2, к 3, к 4 и снова к 1. Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы снова соединим точки 2 и 3, но разорвем цепь между точками 3 и 4:

.

При разрыве между 3 и 4 полярность падения напряжения между этими двумя точками «-» для 4 и «+» для 3. Обратите особое внимание на тот факт, что «знак» точки 3 противоположен знаку в первый пример, где разрыв был между точками 2 и 3 (где точка 3 была помечена «-»).Мы не можем сказать, что точка 3 в этой цепи всегда будет либо «+», либо «-», потому что полярность, как и само напряжение, не специфична для одной точки, а всегда относительна между двумя точками!

ОБЗОР:

• Носители заряда могут двигаться по проводнику с помощью той же силы, что и статическое электричество.
• Напряжение — это мера удельной потенциальной энергии (потенциальной энергии на единицу заряда) между двумя точками.С точки зрения непрофессионала, это мера «толчка», доступного для мотивации обвинения.
• Напряжение, как выражение потенциальной энергии, всегда относительно между двумя местоположениями или точками. Иногда это называют «падением напряжения».
• Когда источник напряжения подключен к цепи, напряжение вызывает равномерный поток носителей заряда через эту цепь, называемый током .
• В одиночной (одной петле) цепи величина тока в любой точке такая же, как и величина тока в любой другой точке. V.В.

  Данные можно вводить в любое из полей. Когда вы закончили вводить данные, нажмите на количество, которое вы хотите рассчитать в активной формуле выше. Количество не будет принудительно согласовано, пока вы не нажмете на выбор. Для неуказанных параметров будут введены значения по умолчанию, но все значения могут быть изменены.

  После того, как вы рассчитали генерируемое напряжение, разумным дополнительным вопросом будет «Какой ток и мощность я могу получить от генератора?».Несмотря на то, что это не было бы практической геометрией генератора, она может служить в качестве
  идеализация для обсуждения принципов генерации напряжения при взаимодействии с магнитным полем. Принимая это
  простая геометрия, электрический ток в амперах, возникающий при движении провода
  через магнитное поле будет определяться сопротивлением цепи, к которой он у вас подключен
  связаны, используя закон Ома, I = V/R. Если вы произвели 10 вольт и были подключены к цепи
  сопротивление 1 Ом, результирующий ток будет 10 ампер, а отдаваемая мощность P=VI=10 вольт x 10
  амперы = 100 Вт (см. соотношение мощности).Но бесплатного обеда не бывает, и вам придется приложить больше усилий, чтобы двигаться.
  провод через магнитное поле на этой скорости — вы, по сути, обмениваете механическую энергию толкания
  для электрической энергии, всегда ограничиваясь принципом сохранения энергии. Вы должны были бы
  вложить (как минимум) 100 ватт механической мощности толкания, чтобы получить 100 ватт электроэнергии.
  Практические генераторы почти всегда используют геометрию вращающейся катушки, а крупные электрогенераторы используют что-то вроде паровой турбины или водяной турбины, чтобы вращать катушку провода в
  магнитное поле, получая напряжение, генерируемое с обеих сторон вращающейся катушки.

  Если вышеуказанный генератор был подключен к цепи сопротивлением R = Ом,

  электрический ток будет I = V/R = ампер для скорости, перпендикулярной B.

  Мощность, подаваемая в цепь, будет равна P= VI = ваттам.

  В идеальном случае, когда потерь нет, необходимая механическая мощность P = Fv, чтобы протолкнуть провод через магнитное поле, была бы равна электрической мощности. Для указанной выше скорости необходимая сила равна

  Идеальное минимальное требуемое усилие:

  F = P/v = ньютоны = фунты.

  Что такое электричество? — Learn.sparkfun.com

  Избранное

  Любимый

  73

  Текущие заряды

  Как мы упоминали в начале этого урока, электричество определяется как поток электрического заряда. Заряд — это свойство материи, такое же, как масса, объем или плотность. Это измеримо. Точно так же, как вы можете количественно определить массу чего-либо, вы можете измерить и его заряд.Ключевой концепцией заряда является то, что он может быть двух типов: положительный (+) или отрицательный (-) .

  Для перемещения заряда нам нужно носителей заряда , и здесь нам пригодятся наши знания об атомных частицах, особенно об электронах и протонах. Электроны всегда несут отрицательный заряд, а протоны всегда положительно заряжены. Нейтроны (в соответствии со своим названием) нейтральны, у них нет заряда. И электроны, и протоны несут один и тот же заряд , только разного типа.

  Модель атома лития (3 протона) с помеченными зарядами.

  Заряд электронов и протонов важен, потому что он дает нам возможность воздействовать на них силой. Электростатическая сила!

  Электростатическая сила

  Электростатическая сила (также называемая законом Кулона) — это сила, действующая между зарядами. Он гласит, что заряды одного типа отталкиваются друг от друга, а заряды противоположного типа притягиваются друг к другу. Противоположности притягиваются, а подобное отталкивается .

  Величина силы, действующей на два заряда, зависит от того, насколько они удалены друг от друга. Чем ближе два заряда, тем больше становится сила (либо сталкивающая, либо отталкивающая).

  Благодаря электростатической силе электроны будут отталкивать другие электроны и притягиваться к протонам. Эта сила является частью «клея», который удерживает атомы вместе, но это также и инструмент, который нам нужен, чтобы заставить электроны (и заряды) течь!

  Внесение платежей

  Теперь у нас есть все инструменты, чтобы заряды текли. Электроны в атомах могут действовать как наши носители заряда , потому что каждый электрон несет отрицательный заряд. Если мы сможем освободить электрон от атома и заставить его двигаться, мы сможем создать электричество.

  Рассмотрим атомную модель атома меди, одного из предпочтительных источников элементов для потока заряда. В сбалансированном состоянии медь имеет 29 протонов в ядре и такое же количество электронов, вращающихся вокруг него. Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра атома.Электроны ближе к ядру испытывают гораздо более сильное притяжение к центру, чем те, которые находятся на дальних орбитах. Самые внешние электроны атома называются валентными электронами , они требуют наименьшего количества силы, чтобы освободиться от атома.

  Это схема атома меди: 29 протонов в ядре, окруженные полосами вращающихся электронов. Электроны, находящиеся ближе к ядру, трудно удалить, в то время как валентному (внешнему кольцу) электрону требуется относительно небольшая энергия для выброса из атома.

  Применяя достаточную электростатическую силу к валентному электрону — либо отталкивая его другим отрицательным зарядом, либо притягивая его положительным зарядом, — мы можем сбросить электрон с орбиты вокруг атома, создав свободный электрон.

  Теперь рассмотрим медную проволоку: вещество, наполненное бесчисленными атомами меди. Поскольку наш свободный электрон плавает в пространстве между атомами, его притягивают и толкают окружающие заряды в этом пространстве. В этом хаосе свободный электрон в конце концов находит новый атом, за который можно зацепиться; при этом отрицательный заряд этого электрона выбрасывает из атома другой валентный электрон.Теперь новый электрон дрейфует в свободном пространстве, пытаясь сделать то же самое. Этот цепной эффект может продолжаться и дальше, создавая поток электронов, называемый электрическим током .

  Очень упрощенная модель зарядов, протекающих через атомы для создания тока.

  Проводимость

  Некоторые элементарные типы атомов лучше других высвобождают свои электроны. Чтобы получить наилучший возможный поток электронов, мы хотим использовать атомы, которые не очень сильно удерживают свои валентные электроны.Электропроводность элемента измеряет, насколько прочно электрон связан с атомом.

  Элементы с высокой проводимостью, которые имеют очень подвижные электроны, называются проводниками . Это типы материалов, которые мы хотим использовать для изготовления проводов и других компонентов, способствующих электронному потоку. Такие металлы, как медь, серебро и золото, обычно являются лучшими проводниками.

  Элементы с низкой проводимостью называются изоляторами . Изоляторы служат очень важной цели: они предотвращают поток электронов.Популярные изоляторы включают стекло, резину, пластик и воздух.

  ---

  ← Предыдущая страница
  Going Atomic

  Электрический ток: что это такое? (Формула, единицы измерения переменного и постоянного тока)

  Что такое электрический ток?

  Электрический ток определяется как поток заряженных частиц, таких как электроны или ионы, движущихся по электрическому проводнику или пространству. Это скорость прохождения электрического заряда через проводящую среду во времени.Электрический ток выражается математически (например, в формулах) с помощью символа «I» или «i». Единицей измерения тока является ампер или ампер. Это представлено A.

  Математически скорость потока заряда по отношению ко времени может быть выражена как

     

  Другими словами, поток заряженных частиц, протекающий через электрический проводник или пространство, известен как электрический ток . Движущиеся заряженные частицы называются носителями заряда, это могут быть электроны, дырки, ионы и т.

  Протекание тока зависит от проводящей среды. Например:

  • В проводнике ток течет за счет электронов.
  • В полупроводниках ток возникает благодаря электронам или дыркам.
  • В электролите ток обусловлен ионами, а
  • В плазме — ионизированном газе ток обусловлен ионами и электронами.

  При приложении разности электрических потенциалов между двумя точками в проводящей среде электрический ток начинает течь от более высокого потенциала к более низкому.Чем выше напряжение или разность потенциалов, тем больше ток протекает между двумя точками.

  Если две точки цепи имеют одинаковый потенциал, ток не может течь. Величина тока зависит от напряжения или разности потенциалов между двумя точками. Следовательно, мы можем сказать, что ток есть эффект напряжения.

  Электрический ток может создавать электромагнитные поля, которые используются в катушках индуктивности, трансформаторах, генераторах, двигателях. В электрических проводниках ток вызывает резистивный нагрев или джоулев нагрев, который зажигает лампу накаливания.

  Изменяющийся во времени электрический ток создает электромагнитные волны, которые используются в телекоммуникациях для передачи данных.

  Переменный ток и постоянный ток

  В зависимости от потока заряда электрический ток подразделяется на два типа: переменный ток (AC) и постоянный ток (DC).

  Переменный ток

  Поток электрического заряда в периодически обратном направлении известен как переменный ток (AC). Переменный ток также называют «переменным током». Хотя технически это дважды говорит одно и то же «AC Current Current».

  Переменный ток меняет свое направление через определенные промежутки времени.

  Переменный ток начинается с нуля, увеличивается до максимума, уменьшается до нуля, затем меняется на противоположное и достигает максимума в обратном направлении, затем снова возвращается к исходному значению и повторяет этот цикл бесконечно.

  Форма волны переменного тока может быть синусоидальной, треугольной, квадратной или пилообразной и т. д.

  Форма волны не имеет значения, если это повторяющаяся форма волны.

  При этом в большинстве электрических цепей типичной формой волны переменного тока является синусоида. Типичная форма синусоидального сигнала, которую вы можете увидеть как переменный ток, показана на изображении ниже.

  Генератор переменного тока может генерировать переменный ток. Генератор переменного тока представляет собой особый тип электрического генератора, предназначенный для выработки переменного тока.

  Электроэнергия переменного тока широко используется в промышленности и жилых помещениях.

  Постоянный ток

  Поток электрического заряда только в одном направлении известен как постоянный ток (DC).Постоянный ток также называют «постоянным током». Хотя технически это дважды говорит одно и то же «Постоянный ток».

  Поскольку постоянный ток течет только в одном направлении; поэтому его также называют однонаправленным током. Форма волны постоянного тока показана на изображении ниже.

  Постоянный ток может генерироваться батареями, солнечными элементами, топливными элементами, термопарами, электрическими генераторами коллекторного типа и т. д. Переменный ток можно преобразовать в постоянный с помощью выпрямителя.

  Электроэнергия постоянного тока обычно используется в низковольтных устройствах.Большинству электронных схем требуется источник питания постоянного тока.

  В чем измеряется электрический ток (единицы тока)?

  Единицей силы тока в системе СИ является ампер или ампер. Это представлено А. Ампер, или ампер является базовой единицей СИ электрического тока. Единица измерения ампер названа в честь великого физика Андрея Мари Ампера.

  В системе СИ 1 ампер — это поток электрического заряда между двумя точками со скоростью один кулон в секунду. Таким образом,

     

  Следовательно, ток также измеряется в кулонах в секунду или C/S.

  Формула электрического тока

  Основные формулы для тока:

  1. Связь между током, напряжением и сопротивлением (закон Ома)
  2. Связь между током, мощностью и напряжением
  3. Связь между током, мощностью и сопротивлением

  Эти отношения показаны на рисунке ниже.

  Формула тока Треугольник

  Формула тока 1 (Закон Ома)

  Согласно закону Ома,

     

  Таким образом,

     

  Определить ток, протекающий через резистор.

  Решение:

  Данные:

  Согласно закону Ома,

     

  Таким образом, используя уравнение, мы получаем, что ток, протекающий через резистор, равен .

  Формула тока 2 (мощность и напряжение)

  Передаваемая мощность является произведением напряжения питания и электрического тока.

     

  Таким образом, мы получаем, что ток равен мощности, деленной на напряжение. Математически

     

  Где обозначает ампер или амперы (единицы электрического тока).

  Пример

  Как показано на схеме ниже, на лампу подается напряжение питания . Определить ток, потребляемый лампой.

  Решение:

  Данные:

  Согласно формуле,

     

  Таким образом, по уравнению получаем ток, потребляемый лампой, равный .

  Формула тока 3 (мощность и сопротивление, омические потери, резистивный нагрев)

  Мы это знаем,

  Теперь подставим в вышеприведенное уравнение и получим,

     

  Таким образом, ток представляет собой квадратный корень из отношения и сопротивление.Математически,

     

  Пример

  Как показано на схеме ниже, определите ток, потребляемый лампой.

  Решение:

  Данные:

  Согласно формуле,

     

  Таким образом, используя уравнение, мы получаем ток, принимаемый , лампа равна .

  Размеры тока

  Размеры тока с точки зрения массы (M), длины (L), времени (T) и силы тока (A) определяются как .

  Ток (I) представляет собой кулон в секунду.Таким образом,

     

  Обычный ток против потока электронов

  Существует небольшое заблуждение относительно обычного течения тока и потока электронов. Попробуем понять разницу между ними.

  Частицы, переносящие электрический заряд по проводникам, представляют собой подвижные или свободные электроны. Направление электрического поля внутри цепи, по определению, соответствует закону выталкивания положительных пробных зарядов. Таким образом, эти отрицательно заряженные частицы, т. е. электроны, движутся в направлении, противоположном электрическому полю.

  В соответствии с электронной теорией, когда к проводнику прикладывается напряжение или разность потенциалов, по цепи текут заряженные частицы, образующие электрический ток.

  Эти заряженные частицы перетекают от более высокого потенциала к более низкому, то есть от положительного полюса к отрицательному полюсу батареи через внешнюю цепь.

  Но в металлическом проводнике положительно заряженные частицы удерживаются в фиксированном положении, а отрицательно заряженные частицы, т.е.е., электроны, могут свободно двигаться. В полупроводниках поток заряженных частиц может быть положительным или отрицательным.

  Поток носителей положительного заряда и носителей отрицательного заряда в противоположном направлении имеет одинаковый эффект в электрической цепи. Поскольку протекание тока связано либо с положительными, либо с отрицательными зарядами, либо с обоими, требуется соглашение для направления тока, которое не зависит от типов носителей заряда.

  Направлением обычного тока считается направление, в котором текут носители положительного заряда, т.е.е., от более высокого потенциала к более низкому потенциалу. Следовательно, носители отрицательного заряда, т. е. электроны, текут в направлении, противоположном обычному течению тока, т. е. от более низкого потенциала к более высокому потенциалу. Следовательно, обычный ток и поток электронов идут в противоположных направлениях, как показано на изображении ниже.

  Направление обычного тока и потока электронов

  So—

  • Обычный ток: Поток носителей положительного заряда от положительного полюса к отрицательному полюсу батареи известен как обычный ток.
  • Поток электронов: Поток электронов называется электронным током. Поток носителей отрицательного заряда, т. е. электронов, от отрицательной клеммы к положительной клемме батареи известен как поток электронов. Электронный поток противоположен обычному току.

  Направление обычного тока и потока электронов показано на изображении ниже.

  Обычный поток тока и поток электронов

  Конвекционный ток и поток проводимости

  Конвекционный ток

  Конвекционный ток относится к току, протекающему через изолирующую среду, такую ​​как жидкость, газ или вакуум.

  Конвекционный ток не требует протекания проводников; следовательно, он не удовлетворяет закону Ома. Примером конвекционного тока является вакуумная трубка, в которой электроны, испускаемые катодом, текут к аноду в вакууме.

  Ток проводимости

  Ток, протекающий по любому проводнику, называется током проводимости. Ток проводимости требует, чтобы проводник протекал; следовательно, он удовлетворяет закону Ома.

  Ток смещения

  Предположим, что резистор и конденсатор подключены параллельно к источнику напряжения V, как показано на рисунке ниже.Характер тока, протекающего через конденсатор, отличается от протекания тока через резистор.

  Напряжение или разность потенциалов на резисторе создает непрерывный поток тока, который определяется уравнением

     

  Этот ток называется «током проводимости».

  Теперь ток течет через конденсатор только тогда, когда напряжение на конденсаторе изменится, что определяется уравнением

     

  Этот ток называется «током смещения».”

  Физически ток смещения не является током, так как нет потока физической величины, подобного потоку зарядов.

  Как измерять ток

  В электрических и электронных схемах измерение тока является важным параметром, который необходимо измерять.

  Прибор для измерения электрического тока, называемый амперметром. Для измерения тока амперметр должен быть включен последовательно в цепь, ток которой измеряется.

  Измерение тока через резистор с помощью амперметра показано на рисунке ниже.

  Измерение тока амперметром

  Электрический ток можно также измерить с помощью гальванометра. Гальванометр дает как направление, так и величину электрического тока.

  Ток может быть измерен путем обнаружения магнитного поля, связанного с током, без разрыва цепи. Существуют различные приборы, используемые для измерения тока без разрыва цепи.

  • Датчики тока на эффекте Холла
  • Трансформатор тока (ТТ) (только для измерения переменного тока)
  • Измерительные клещи
  • Шунтирующие резисторы
  • Магниторезистивные датчики поля

  Общие вопросы о

  вопросы, связанные с электрическим током.

  Что использует электромагнит для измерения электрического тока?

  Гальванометр представляет собой измерительный прибор, использующий электромагнит для измерения электрического тока.

  Гальванометр является абсолютным прибором; он измеряет электрический ток с точки зрения тангенса угла отклонения.

  Гальванометр может измерять электрический ток напрямую, но это требует разрыва цепи; поэтому иногда это неудобно.

  Как электрический ток создает магнитную силу?

  Проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать силу, поскольку ток есть не что иное, как поток зарядов.

  Рассмотрим проводник с током, по которому течет ток, как показано на рисунке ниже (а). Согласно правилу правой руки Флеминга; этот ток создаст магнитное поле в направлении по часовой стрелке.

  Магнитная сила, создаваемая электрическим током

  Результатом действия магнитного поля проводника является то, что оно создает магнитное поле над проводником и пробуждает его внизу.

  Линии поля подобны натянутым резиновым лентам; следовательно, он будет толкать проводник вниз, т.е.д., сила направлена ​​вниз, как показано на рисунке (b).

  Этот пример говорит о том, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. Следующее уравнение определяет величину магнитной силы, действующей на проводник с током.

     

  Для протекания электрического тока необходимо наличие

  Для протекания электрического тока необходимо:

  • Разность потенциалов между двумя точками. Если две точки цепи имеют одинаковый потенциал, ток не может течь.
  • Источник напряжения или тока, такой как батарея или элемент, который заставляет свободные электроны создавать электрический ток.
  • Проводник или проволока, несущие электрические заряды.
  • Цепь должна быть замкнута или замкнута. Если цепи разомкнуты, ток не может течь.

  Это условия, необходимые для протекания электрического тока. На изображении ниже показан ток, проходящий в замкнутой цепи.

  Ток, протекающий в замкнутой цепи

  Что лучше всего описывает разницу между электрическим током и статическим электричеством

  Основное различие между электрическим током и статическим электричеством заключается в том, что электроны или заряды протекают через проводник в электрическом токе.

  В то время как при статическом электричестве заряды покоятся и накапливаются на поверхности вещества.

  Электрический ток возникает из-за потока электронов, тогда как статическое электричество возникает из-за отрицательных зарядов от одного объекта к другому.

  Электрический ток возникает только в проводнике, тогда как статическое электричество возникает как в проводнике, так и в изоляторе.

  Как электрический ток влияет на магнитный полюс?

  Мы знаем, что при протекании электрического тока, т.е.е., электрический заряд находится в движении, он создает магнитное поле. Если мы держим магнит в магнитном поле, на него действует сила.

  Для электрических зарядов, т. е. электрического тока, как магнитные полюса притягиваются, так и противоположные магнитные полюса отталкиваются. Итак, мы можем сказать, что электрический ток воздействует на магнитный полюс через магнитное поле.

  Какой прибор используется для измерения электрического тока

  Прибор для измерения электрического тока называется амперметром. Амперметр должен быть включен последовательно с цепью, ток которой необходимо измерить.

  Другие различные приборы также используются для измерения электрического тока.

  • Преобразователи тока на эффекте Холла
  • Трансформатор тока (ТТ) (только для измерения переменного тока)

    Ток может индуцироваться в проводящей петле, если она подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля.

    Ток может индуцироваться в проводящей петле, если она подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля.Это изменение может быть произведено несколькими способами; вы можете изменять силу магнитного поля, перемещать проводник в поле и из него, изменять расстояние между магнитом и проводником или изменять площадь петли, находящейся в стабильном магнитном поле. Независимо от того, как достигается изменение, результат, индуцированный ток, один и тот же. Сила тока будет меняться пропорционально изменению магнитного потока, как это следует из закона индукции Фарадея. Направление тока можно определить, рассмотрев закон Ленца, который гласит, что индуцированный электрический ток будет течь таким образом, что он создаст магнитное поле, противодействующее изменению поля, которое его породило.Другими словами, если приложенное магнитное поле увеличивается, ток в проводе будет течь таким образом, что магнитное поле, которое он генерирует вокруг провода, уменьшит приложенное магнитное поле.