Постоянный электрический ток и его характеристики: Постоянный электрический ток

Содержание

Постоянный электрический ток

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

постоянный электрический ток немного о физике:

Что называют электрическим током?

Электрический ток —
упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического
поля или сторонних сил.

За направление тока выбрано направление движения положительно
заряженных частиц.

Электрический ток называют постоянным,
если сила тока и его направление не меняются с течением времени.

Условия существования постоянного
электрического тока.

Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие
свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется
преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.

Источник тока —
устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в
энергию электрического поля. В источнике тока на заряженные частицы в замкнутой цепи действуют сторонние силы. Причины возникновения сторонних сил в различных источниках тока различны.
Например в аккумуляторах и гальванических элементах сторонние силы возникают
благодаря протеканию химических реакций, в генераторах электростанций они
возникают при движении проводника в магнитном поле, в фотоэлементах — при
действия света на электроны в металлах и полупроводниках.

Электродвижущей силой источника тока
называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда,
переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.

Основные понятия.

Сила тока — скалярная физическая
величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за
которое этот заряд прошел.

где I — сила
тока, q — величина заряда
(количество электричества), t
— время прохождения заряда.

Плотность тока —
векторная физическая величина, равная отношению силы тока к
площади поперечного сечения проводника.

где j —плотность
тока, S —
площадь сечения проводника.

Направление вектора плотности тока совпадает с
направлением движения положительно заряженных частиц.

Напряжение —
скалярная физическая величина, равная отношению полной
работе кулоновских и сторонних сил при перемещении
положительного заряда на участке к значению этого заряда.

где A — полная работа
сторонних и кулоновских сил, q
— электрический заряд.

Электрическое сопротивление
— физическая величина, характеризующая электрические
свойства участка цепи.

где ρ —
удельное сопротивление проводника,
l — длина участка
проводника, S
— площадь поперечного сечения проводника.

Проводимостью
называется величина, обратная сопротивлению

где G —
проводимость.

Законы Ома.

Закон Ома для однородного
участка цепи.

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна
напряжению при постоянном сопротивлении участка и
обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном
напряжении.

где U — напряжение на
участке, R —
сопротивление участка.

Закон Ома для произвольного
участка цепи, содержащего источник постоянного тока.

где
φ₁_{— φ₂_{+ ε = U}}
напряжение на заданном участке цепи, R
— электрическое сопротивление заданного
участка цепи.

Закон Ома для полной цепи.

Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей
силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего
участка цепи.

где R — электрическое
сопротивление внешнего участка цепи, r
— электрическое сопротивление внутреннего участка цепи.

Короткое замыкание.

Из закона Ома для полной цепи следует, что сила тока в
цепи с заданным источником тока зависит только от
сопротивления внешней цепи R.

Если к полюсам источника тока подсоединить проводник с
сопротивлением R<<
r, то
тогда только ЭДС источника тока и его сопротивление
будут определять значение силы тока в цепи. Такое
значение силы тока будет являться предельным для данного
источника тока и называется током короткого замыкания.

Последовательное и
параллельное

соединение проводников.

Электрическая цепь включает в себя источника тока и
проводники (потребители, резисторы и др), которые могут
соединятся последовательно или параллельно.

При
последовательном соединении конец предыдущего проводника
соединяется с началом следующего.

Во всех
последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова:

I₁= I₂=I

Сопротивление всего участка
равно сумме сопротивлений всех отдельно взятых проводников:

R = R₁+ R₂

Падение напряжения на всем
участке равно сумме паданий напряжений на всех отдельно взятых
проводниках:

U= U₁ +U₂

Напряжения на
последовательно соединенных проводниках пропорциональны их
сопротивлениям.

При
параллельном соединении проводники
подсоединяются к одним и тем же точкам цепи.

Сила тока в неразветвленной
части цепи равна сумме токов, текущих в каждом проводнике:

I = I₁+ I₂

Величина, обратная
сопротивлению разветвленного участка, равна сумме обратных величин
обратных сопротивлениям каждого отдельно взятого проводника:

Падение напряжения во всех
проводниках одинаково:

U= U₁ = U₂

Силы тока в проводниках
обратно пропорциональны их сопротивлениям

Смешанное соединение
— комбинация параллельного и последовательного
соединений.

Правила Кирхгофа.

Для расчета разветвленных цепей, содержащих неоднородные
участки, используют правила

Кирхгофа. Расчет сложных
цепей состоит в отыскании токов в различных участках цепей.

Узел — точка разветвленной цепи, в которой сходится более
двух проводников.

1 правило Кирхгофа:
алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна
нулю;

где n — число проводников,
сходящихся в узле, I_i_{— сила тока в проводнике.}

токи, входящие в узел считают положительными, токи,
отходящие из узла — отрицательными.

2 правило Кирхгофа: в
любом произвольно выбранном замкнутом контуре разветвленной
цепи алгебраическая сумма произведений сил токов и
сопротивлений каждого из участков этого контура равна
алгебраической сумме ЭДС в контуре.

Чтобы учесть знаки сил токов и ЭДС выбирается
определенное направление обхода контура(по часовой стрелке
или против нее). Положительными считают токи, направление
которых совпадает с направлением обхода контура,
отрицательными считают токи противоположного
направления. ЭДС источников электрической энергии
считают положительными если они создают токи, направление
которых совпадает с направлением обхода контура, в противном
случае — отрицательными.

Порядок расчета сложной цепи
постоянного тока.

Произвольно
выбирают направление токов во всех участках цепи.
Первое правило
Кирхгофа записывают для (m-1)
узла, где m — число узлов в цепи.
Выбирают
произвольные замкнутые контуры, и после выбора направления обхода записывают
второе правило Кирхгофа.
Система из
составленных уравнений должна быть разрешимой: число уравнений должно
соответствовать количеству неизвестных.

Шунты и добавочные сопротивления.

Шунт —
сопротивление, подключаемое параллельно к амперметру (гальванометру), для
расширения его шкалы при измерении силы тока.

Если
амперметр рассчитан на силу тока I₀_{, а с помощью него необходимо измерить силу тока, превышающую в
n раз допустимое значение, то сопротивление,
подключаемого шунта должно удовлетворять следующему условию:}

Добавочное сопротивление — сопротивление,
подключаемое последовательно с вольтметром (гальванометром), для
расширения его шкалы при измерении напряжения.

Если
вольтметр рассчитан на напряжение U₀_{, а с помощью него необходимо измерить напряжение, превышающее в
n раз допустимое значение, то добавочное сопротивление
должно удовлетворять следующему условию:}

Электрический ток, сила, плотность, условия существования. Источник тока. Курсы по физике

Тестирование онлайн

Электрический ток. Основные понятия
Сила, плотность тока

Условия существования тока

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Направление, в котором движутся положительно заряженные частицы, считается направлением тока. Вещества, в которых возможно движение зарядов, называются проводниками.

В металлах единственными носителями тока являются электроны. Направление тока противоположно направлению движения электронов.

Для существования тока необходимо:
1) наличие свободных заряженных частиц;
2) существование внешнего электрического поля;
3) наличие источника тока — источника сторонних сил.

Характеристики тока

Сила тока — скалярная величина, определяется по формуле

Если ток изменяется, то заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, определяется как площадь фигуры, ограниченной зависимостью I(t).

Плотность тока — векторная величина, определяется по формуле

Прибор для измерения силы тока называется амперметром. Включается в сеть последовательно. Собственное сопротивление амперметра должно быть мало, поскольку включение амперметра не должно изменять силу тока в цепи.

В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока.

Примерами источника тока могут являться катушка индуктивности, вторичная обмотка трансформатора. Внутреннее сопротивление источника тока стремится к нулю.

Под действием электрического поля, созданного источником тока, свободные заряды движутся в веществе с некоторой средней скоростью — скорость дрейфа.

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ОТКРЫТОГО УРОКА «ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ»

Управление образования и науки Липецкой области

Государственное областное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

«Лебедянский торгово-экономический техникум»

Методическая разработка

открытого урока

по дисциплине: «Физика»

Подготовила: Маркова С. В.

Рассмотрена на заседании цикловой методической комиссии математических, общих естественнонаучных дисциплин и физической культуры

Протокол № от «__» ______ 2017г.

Председатель ЦМК: _________________Самолдина Е. А.

Лебедянь,

2017 г.

Аннотация.

Настоящая методическая разработка написана в качестве рекомендательного пособия для преподавателей.

Методическая разработка написана с целью обмена опытом, оказания методической помощи преподавателям по внедрению компьютерных технологий в образовательный процесс при проведении уроков по дисциплине «Физика».

Использование ТСО делает урок более мобильным.

Содержание

Введение

Основная часть

Организационная часть
Мотивация учебной деятельности
Проверка ранее усвоенного материала
Изучение нового материала
Закрепление
Подведение итогов
Домашнее задание
Заключительная часть урока

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение.

Настоящая методическая разработка написана на основе педагогического опыта автора.

Эта тема является важной при изучении раздела «Электродинамика». В процессе изучения темы студенты должны познакомиться со структурой физической теории, на основе ее обобщить знания по данной теме, показать значение исходного факта для эксперимента.

При изучении данной темы студенты должны познакомиться с понятием электрического тока, его характеристиками, единицами измерения, приборами для измерения физических величин, биографиями ученых, которые их установили, формулировками и математическим выражением этих законов; научиться подтверждать полученные знания экспериментально, а так же объяснять результаты эксперимента; применять полученные знания при решении задач. Эффективность урока обусловлена рядом сменяющих друг друга методов изучения материала: самостоятельная работа, фронтальный опрос, рассказ, демонстрация, эксперимент, решение расчетных задач. Изучение нового материала сопровождается демонстрацией презентации по данной тематике.

Цели урока:

обучающая познакомить студентов с понятием электрического тока, его характеристиками, законом Ома, с единицами измерения величин, приборами для их измерения, формулами для расчета этих величин, научить применять формулы при решении задач;

воспитательная: формирование информационной и коммуникативной культуры студентов; воспитывать чувство коллективизма, взаимопомощи, ответственности, взаимопонимания, уважения к мнению других;

развивающая: развивать интерес к предмету, навыки самостоятельной работы над поставленной проблемой, умение применять теоретические знания для объяснения физического эксперимента, при решении задач.

Материально-техническое обеспечение урока:

раздаточный материал: карточки с задачами, подборка литературы, сборники задач, справочные таблицы;

оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, реостат, ключ, соединительные провода, катушка, магнитная стрелка;

технические средства: компьютер, мультимедийная установка;

наглядные пособия: презентация, кроссворд.

Вид занятия: урок.

Тип занятия: комбинированный урок

Междисциплинарные связи: алгебра, химия

Основная часть.

Организационная часть.

Организационная часть урока заключается в том, что преподаватель проверяет готовность студентов к проведению занятия, наличие необходимых пособий и оборудования.

Мотивация учебной деятельности.

Настроить группу на внимание, подчеркнуть важность темы в освоении курса физики, сообщить цели и задачи урока. Проводиться логическая связь от изученных ранее вопросов к вопросам, которые предстоит изучить.

Проверка ранее изученного материала.

1) Решение задач

Для того чтобы опросить как можно большее число студентов, а так же дифференцированно подойти к этому, проверку домашнего задания можно организовать следующим образом: студентам предлагаются карточки с разноуровневыми задачами (Приложение 1). Студенты сами выбирают задачи, какого уровня они будут решать.

2) Фронтальный опрос

Как устроен атом?
Как делятся все вещества по способности проводить электрический ток?
Что такое диэлектрики?
Какие вещества к ним относятся?
Что такое проводники?
Какие вещества к ним относятся?

Изучение нового материала.

1) Постоянный электрический ток.

2) Сила тока.

3) Напряжение.

4) Сопротивление.

5) Закон Ома для участка цепи.

6) Закон Ома для полной цепи.

Объяснение нового материала (Приложение 2) сопровождается презентацией. Выводы и утверждения подтверждаются экспериментально. По ходу изучения материала студенты знакомятся с измерительными приборами, определяют цену деления приборов.

Закрепление изученного материала.

Закрепление материала проводится при решении кроссворда по данной теме (Приложение 3).

Для закрепления изученных формул, единиц измерения предлагается решить несколько дополнительных задач (Приложение 4).

Подведение итогов урока.

Преподаватель подводит итоги урока, еще раз коротко останавливается на каждом изученном вопросе. Оценивает работу студентов.

Домашнее задание.

— подготовить с помощью конспекта устные ответы на вопросы, изученные на уроке;

— изучить стр. 289-293, учебник Физика – 10. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.;

— решить задачу № 243:

Определить силу тока, если за 10 с через сечение проводника прошло 20 Кл электричества.

— подготовить доклад «Георг Ом»

Заключение

Основная задача урока показать значимость темы «Постоянный электрический ток и его характеристики» в разделе курса физики «Электродинамика», показать возможность самостоятельной работы по изучению теоретических вопросов, демонстрации эксперимента, подтверждающего теорию, объяснения физических явлений и процессов. Основная идея урока показать возможности применения и использования компьютерных технологий на уроках физики, их применение на различных этапах урока: в ходе проверки домашнего задания, изучения нового материала, закрепления изученного материала. Особое познавательное и воспитательное значение имеет ознакомление студентов с биографиями ученых – физиков.

Список литературы:

Дмитриева В.Ф. «Физика», М. «Академия», 2014

Лансберг Г.С. «Элементарный учебник физики» т.1,М.«Наука»,2013

Мякишев Г.Я.,Буховцев Б.Б. «Физика-10»,М. «Просвещение», 2015

Рымкевич А.П. «Сборник задач по физике», М.«Просвещение», 2014

Рябоволов Г.И.,Дадашева Н.Р.,Самойленко П.И. «Сборник дидактических заданий по физике», М. «Высшая школа»,2013

Приложение 1

Самостоятельная работа по теме «Электрическое поле»

Вариант 1.

I.Задания обязательного уровня

Определить силу взаимодействия двух зарядов — 6 ∙ 10^-8 Кл и — 7 ∙ 10^-8 Кл, если они находятся в масле на расстоянии 7 см.

На каком расстоянии находятся два электрона, взаимодействующие с силой 6 ∙10^-9 Н?

На заряд 3 ∙ 10^-8 Кл, внесенный в данную точку поля, действует сила 2,4 ∙ 10^-5 Н. Найти напряженность в данной точке.

II. Задания дополнительного уровня

В однородном электрическом поле с напряженностью 6 ∙ 10⁵ Н/Кл перемещается заряд 7 ∙ 10^-8 Кл на расстояние 8 см. Определить работу силы по перемещению этого заряда.

5*. Уединенному проводнику сообщили заряд 1 ∙ 10^-9 Кл, зарядив до потенциала 100 В. Определить электроемкость проводника.

Вариант 2.

I.Задания обязательного уровня

С какой силой отталкиваются два протона, находящиеся в воде на расстоянии 1,5 ∙ 10^-6 см?

Два одинаковых заряда взаимодействуют с силой 7,2 ∙ 10^-4 Н. Определить заряды, если они находятся на расстоянии 10 мм.

На каком расстоянии от заряда 1 ∙ 10^-8 Кл напряженность поля равна 300 Н/Кл?

II. Задания дополнительного уровня

Какую работу совершает поле при перемещении заряда 4 нКл из точки с потенциалом 600 В в точку с потенциалом 100 В?

5*. Какой заряд накопит конденсатор емкостью 1 мкФ, если его зарядить до напряжения 100 В?

Вариант 3.

I.Задания обязательного уровня

С какой силой взаимодействуют два заряда – 2 ∙ 10^-8 Кл и – 9 ∙ 10^-8 Кл, находясь на расстоянии 9 см в парафине?

На каком расстоянии нужно расположить два заряда 5 ∙ 10^-9 Кл и 6 ∙ 10^-9 Кл, чтобы они отталкивались с силой 12 ∙ 10^-5 Н?

С какой силой действует электрическое поле Земли, напряженность которого 100 Н/Кл, на тело, несущее заряд 1 ∙ 10^-6 Кл?

II. Задания дополнительного уровня

Какую работу нужно совершить, чтобы переместить заряд 5 ∙ 10^-8 Кл между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1600 В?

5*. От какого напряжения нужно зарядить конденсатор емкостью 4 мкФ, чтобы ему сообщить заряд 4,4 ∙ 10^-4 Кл?

Вариант 4.

I.Задания обязательного уровня

Определить силу взаимодействия двух зарядов 1 ∙ 10^-8 Кл и 1,5 ∙ 10^-8 Кл, если они находятся в спирте на расстоянии 10 см.

Два одинаковых заряда находятся на расстоянии 11 см друг от друга и притягиваются с силой 8 ∙ 10^-5 Н. Определить величину зарядов.

Определить заряд, создающий поле напряженностью 500 Н/Кл, если на него действует сила 5 ∙ 10^-4 Н.

II. Задания дополнительного уровня

Напряжение между двумя точками, лежащими на одной линии напряженности однородного поля, равно 3 кВ. Расстояние между этими точками 15 см. Какова напряженность поля?

5*. Какова емкость конденсатора, если он получил заряд 6 ∙ 10^-5 Кл, от источника напряжения 120 В?

Вариант 5.

I.Задания обязательного уровня

С какой силой взаимодействуют два заряда 3 ∙ 10^-6 Кл и 8 ∙ 10^-6 Кл, находясь на расстоянии 6 см в стекле?

Два протона взаимодействуют с силой 3 ∙ 10^-5 Н. Определить расстояние между ними.

Найти заряд, создающий электрическое поле, если на расстоянии 5 см от заряда напряженность поля 1,5 ∙ 10⁵ Н/Кл.

II. Задания дополнительного уровня

При внесении заряда 2 ∙ 10^-6 Кл из бесконечности в данное поле была произведена работа 6 ∙ 10^-5 Дж. Каков потенциал точки поля, в которую внесен заряд?

5*. Какой заряд накопит конденсатор емкостью 2 мкФ, если его зарядить до напряжения 200 В?

Вариант 6.

I.Задания обязательного уровня

Определить силу взаимодействия двух зарядов 4 ∙ 10^-8 Кл и 5 ∙ 10^-8 Кл, если они находятся в слюде на расстоянии 12 см.

Два одинаковых заряда притягиваются с силой 6,5 ∙ 10^-6 Н. Определить величину зарядов, если они расположены на расстоянии 7 см друг от друга.

Определить заряд, создающий поле напряженностью 600 Н/Кл, если рассматриваемая точка удалена от него на 100 мм.

II. Задания дополнительного уровня

Точка А лежит на линии напряженности однородного поля, напряженность которого 50 кВ/м. Найти разность потенциалов между этой точкой и некоей точкой В, расположенной в 9 см от точки А, если точки А и В лежат на одной линии напряженности.

5*. От какого напряжения нужно зарядить конденсатор емкостью 5 мкФ, чтобы ему сообщить заряд 6 ∙ 10^-5 Кл?

Вариант 7.

I.Задания обязательного уровня

С какой силой взаимодействуют два заряда по 4 ∙ 10^-8 Кл, находясь на расстоянии 9 см друг от друга в парафине?

Два протона взаимодействуют с силой 5 ∙ 10^-5 Н. Определить расстояние между ними.

Найти напряженность электрического поля на расстоянии 8 см от заряда 4 ∙ 10^-5 Кл, находящегося в воде.

II. Задания дополнительного уровня

Напряженность поля между двумя точками, лежащими на одной линии напряженности однородного поля, равна 15 В/м. Расстояние между этими точками 20 см. Каково напряжение между этими точками?

5*. От какого напряжения нужно зарядить конденсатор емкостью 8 мкФ, чтобы ему сообщить заряд 5,5 ∙ 10^-5 Кл?

Вариант 8.

I.Задания обязательного уровня

С какой силой взаимодействуют два электрона, находящиеся на расстоянии 4 см друг от друга в янтаре.

Два одинаковых заряда притягиваются с силой 7,1 ∙ 10^-6 Н. Определить величину зарядов, если они расположены на расстоянии 9 см друг от друга.

Определить диэлектрическую проницаемость среды в которой находится заряд 4 ∙ 10^-6 Кл, создающий поле напряженностью 500 Н/Кл, если рассматриваемая точка удалена от него на 200 мм.

II. Задания дополнительного уровня

При внесении заряда 3 ∙ 10^-5 Кл из бесконечности в данное поле была произведена работа 5 ∙ 10^-4 Дж. Каков потенциал точки поля, в которую внесен заряд?

5*. Какова емкость конденсатора, если он получил заряд 7 ∙ 10^-4 Кл, от источника напряжения 220 В?

Приложение 2.

Тема:

Постоянный электрический ток. Сила тока, напряжение, сопротивление. Закон Ома.

1. Постоянный электрический ток.

Металлы проводят электрический ток. Почему? При образовании металла его атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек /т.к. они находятся далеко от ядра атома и связь с ним не очень сильная/ полностью утрачивают связи со своим атомом и становятся свободными. Они могут перемещаться по всему металлу в любом направлении. Именно с их помощью можно создать электрический ток, т.е. заставить заряды служить людям: электрический ток освещает дома, учебные заведения, заставляет работать станки…

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядоченное тепловое движение, то переноса заряда не происходит. Электрический заряд будет перемещаться через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если электроны движутся упорядоченно. В этом случае в проводнике устанавливается электрический ток.

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Движение частиц в проводнике мы не видим. О наличии в нем тока можем судить по тем явлениям, которые его сопровождают:

Проводник, по которому течет ток, нагревается.
Электрический ток может изменять химический состав проводника (выделяемые вещества из растворов)
Ток оказывает магнитное действие.

Условия, необходимые для существования электрического тока:

а) для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц;

б) для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определенном направлении;

в) необходима разность потенциалов между концами проводника. Если она не меняется о времени, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

2. Характеристикой электрического тока является сила тока.

Сила тока равна отношению заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени.

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Сила тока зависит от величины заряда, переносимого каждой частицей, концентрацией частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника:

I= q₀ n υ S,

где q₀– элементарный заряд [Кл]

n – концентрация частиц [м^-3]

υ – скорость частиц [м/с]

S – площадь поперечного сечения проводника [м²]

Силу тока измеряют амперметром, который включается в цепь последовательно. Электрический ток характеризуется плотностью – это отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника

j = ,

Плотность характеризует быстроту переноса заряда.

Другой характеристикой электрического тока является напряжение.

U [В]

Сопротивление – основная электрическая характеристика проводника. Сопротивление проводника представляет собой как бы меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока.

Сопротивление зависит от материала проводника, его геометрической формы, размеров

R= ,

где ℓ – длина проводника [м]

S- площадь поперечного сечения [м²]

ρ- удельное сопротивление [Ом·м]– табличное значение

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:

ρ= ρ₀ (1+α t),

где ρ_{0 –} удельное сопротивление при 0⁰С

α = — температурный коэффициент сопротивления.

Сопротивление проводника так же будет зависеть от температуры:

R = R₀ (1+ α t)

Зависимость сопротивления от температуры не всегда можно выражать такой формулой. При низких температурах наблюдается отклонение от этой зависимости. Измеряя сопротивления проводников при очень низких температурах, голландский физик Камерлинг-Оннес в 1911г обнаружил явление, названное сверхпроводимостью. Оказалось, что в некоторых случаях при достаточно низкой температуре сопротивление вещества скачком падает до нуля. Сверхпроводимость позволяет получить при низких температурах в проводниках огромные токи.

3. Закон Ома для участка цепи.

Для существования тока в проводнике необходимо создать разность потенциалов на его концах. Сила тока в проводнике определяется этой разностью потенциалов. Чем больше разность потенциалов, тем больше напряженность электрического поля в проводнике и, следовательно, тем большую скорость направленного движения приобретают заряженные частицы. Это означает увеличение силы тока. Следовательно, сила тока будет зависеть от разности потенциалов или напряжения. Эту зависимость установил немецкий ученый Георг Ом, поэтому она носит название закона Ома:

Сила тока в цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:

I =

Эту зависимость выражают вольтамперной характеристикой. Ее строят, измеряя силу тока в цепи при различных напряжениях.

4. Электродвижущая сила.

Мы знаем, что работа сил электрического поля при перемещении заряда по замкнутому контуру равно 0. Это значит, что если в замкнутой цепи на заряды действуют только одни электрические силы, то работу с помощью тока получить нельзя. Следовательно, кроме электрических сил должны существовать еще силы, которые называются сторонними.

Участок АСВ называется внешней частью цепи. АДВ – внутренняя часть цепи или источника тока. Источник тока характеризуется электродвижущей силой или ЭДС

ЭДС в замкнутом контуре равна отношению работы сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда к его величине:

E =

5. Закон Ома для полной цепи.

Источник тока характеризуется сопротивлением, которое называется внутренним (r). А сопротивление цепи называется внешним (R)

E = U+ I r или т.к. U = I R

E = I R + I r

E = I (R+r)

I = — закон Ома для полной цепи

Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Сила тока зависит от трех величин: ЭДС, сопротивления внешнего участка цепи и внутреннего сопротивления источника тока. Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней цепи. При этом напряжение на зажимах источника приблизительно равно ЭДС:

U = IR ≈ E

Электрическая цепь представляет собой совокупность проводников и источников тока. Проводники могут соединяться последовательно и параллельно.

6. Последовательное соединение:

а) Сила тока одинакова во всех проводниках:

I = I₁ = I₂

б) Напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках:

U=U₁+U₂

в) Напряжение прямо пропорционально сопротивлению проводников:

г) Общее сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений отдельных проводников:

R= R₁+R₂

7. Параллельное соединение:

а) Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов текущих в параллельных ветвях:

I= I₁ + I₂

б) Напряжение в параллельно соединенных участках цепи одинаковы:

U= U₁=U₂

в) Силы токов в параллельных ветвях обратно пропорциональны их сопротивлениям:

е) Величина, равная обратному сопротивлению участка равна сумме обратных сопротивлений отдельных проводников:

Приложение 3.

Кроссворд

1. Упорядоченное движение заряженных частиц

2. Отрицательно заряженная частица

3. Незаряженная частица

4. Вещества, которые проводят электрический ток

5. Единица измерения напряжения

6. Положительно заряженная частица

7. Прибор, с помощью которого можно измерить напряжение

8. Вещества, которые не проводят электрический ток

9. Одна из характеристик электрического тока

10. Характеристика электрического тока

11. Единица измерения силы тока

12. Единица измерения сопротивления

13. Характеристика электрического тока

14. Прибор, который накапливает электрический заряд

15. Прибор, для измерения силы тока

Ответы:

Приложение 4.

Какой заряд пройдет через поперечное сечение проводника за 1 мин. При силе тока в цепи 0,2 А?

Дано:

Δt = 1мин.

I = 0,2 A

CИ

= 60 c

Решение:

q = 0,2 A ∙ 60 c = 12 Кл

q = ?

Определить сопротивление алюминиевой проволоки с площадью поперечного сечения 2 мм², если ее длина 100 м.

Дано:

S = 2 мм²

ℓ = 100 м

СИ

=2∙10^-6 м²

Решение:

R =

R = ?

Конденсатор емкостью 100 мкФ заряжается до напряжения 500 В за 0,5 с. Каково среднее значение силы тока?

Дано:

C = 100 мкФ

U = 500 Кл

Δt = 0,5 c

СИ

= 100∙10^-6 Ф

Решение:

q = CU

I =

I = ?

Учебно-методическая карта занятия № 6

Дисциплина: физика

Тема: Постоянный электрический ток Сила тока, напряжение, сопротивление. Закон Ома.

Вид занятия: урок

Тип урока: комбинированный

Цели:

образовательная: познакомить студентов с понятием постоянного электрического тока, характеристиками электрического тока, законом Ома, ввести единицы измерения этих величин, формулы для их расчета;
воспитательная: формирование информационной и коммуникативной культуры студентов;
развивающая: развивать навыки решения задач, интерес к предмету, активность и самостоятельность студентов

Междисциплинарные связи: алгебра, химия

Материально-техническое обеспечение занятия:

Оборудование: источник тока, соединительные провода, реостат, ключ, амперметр, вольтметр, катушка, магнитная стрелка;

Раздаточный материал: подборка литературы, карточки, сборники задач, справочные таблицы;

Технические средства: компьютер, мультимедийная установка;

Наглядные средства: презентация, кроссворд.

Методическое обеспечение занятия: учебно-методическая карта занятия, методическая разработка, календарно-тематический план, рабочая программа.

Литература:

основная:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. «Физика – 10», М. «Просвещение», 2015;
Дмитриева В. Ф. «Физика», М. «Академия», 2014

Хронологическая карта занятия

п/п

Элементы занятия и узловые вопросы

Методы

обучения

Время,

мин

Примечание

Организационная часть

— проверка готовности студентов к уроку;

— проверка присутствующих;

— настрой на работу

монологический

2-3

воспитание дисциплинированности

Мотивация учебной деятельности студентов

— сообщение темы и цели занятия

монологический

2-3

Проверка знаний студентов

1. Проверка ранее изученного материала по разделу «Электрическое поле»
2. Устные ответы на вопросы:

Как устроен атом?
Как делятся все вещества по способности проводить электрический ток?
Что такое диэлектрики?
Какие вещества к ним относятся?
Что такое проводники?
Какие вещества к ним относятся?

самостоят. работа

фронтальный опрос

Установить уровень усвоения и осознанность изученного материала

Этап подготовки студентов к активному усвоению новых знаний

— сообщение и постановка целей и задач изучения материала

создание проблемной ситуации

показ значимости изучаемого материала

Изучение нового материала

Электрическое поле;
Сила тока;
Напряжение;
Сопротивление.
Закон Ома для участка цепи.
Закон Ома для полной цепи.

диалогический,

демонстрац.,

эксперимент.

подача материала логически завершенными блоками; использование вопросов, требующих активности, самостоятельной мыслительной деятельности

Закрепление знаний

— обеспечить формирование знаний на основе использования вопросов требующих систематизации знаний;

— сформировать умения применять теоретические знания на практике

решение кроссворда;

решение задач

Установить правильность и осознанность изученного материала

Подведение итогов занятия

— обобщение материала;

— оценивание работы студентов с комментариями

монологический

Домашнее задание

— проработка конспекта занятия;

— Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. «Физика – 10», с. 289;

— решить задачу № 243;

-подготовить доклад «Георг Ом».

монологический

Заключительная часть занятия

— приведение в порядок рабочих мест

1-2

воспитание аккуратности

Преподаватель: С.В. Маркова

Электричество и магнетизм

Таким образом, скорость в выражении (4.7) — это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.

Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.

Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность

так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)

(4.9)

Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении

Входящий в соотношение (4.9)

Коэффициент пропорциональности называется проводимостью вещества проводника.

Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике (его называют также законом Ома в дифференциальной форме).

Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока

Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов — меди. Возьмем для примера силу тока I = 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет

1 мм² = 10^–6 м². Тогда плотность тока равна j = 10⁶ А/м². Теперь воспользуемся соотношением (4.7)

Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10^-19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди — r_Cu=8,9·10³кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева — M_Cu = 63,5·10^–3 кг/моль. Отношение

— это число молей в 1 м³. Умножая на число Авогадро Na = 6,02·10²³ моль^–1, получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов

Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов

Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 10⁶ м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше.

Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S, которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен

где dq — заряд, пересекающий поверхность за время dt. Обозначим через q ‘ заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью

Из фундаментального закона природы — закона сохранения заряда — следует, что заряд dq, вышедший через поверхность за время dt, уменьшит заряд q ‘ внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq ‘ = –dq или

Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме

(4.10)

Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V.

Постоянный электрический ток

Эти заряженные частицы в теории часто называют носителями тока. В проводниках и полупроводниках носителями тока являются электроны, в электролитах заряженные ионы. В газах носителями заряда могут быть и электроны и ионы. В металлах, например, могут перемещаться только электроны. Следовательно, электрический ток в них — есть движение электронов проводимости. Надо отметить, что результат прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих растворах существенно отличается. В металлах не происходит химических процессов при прохождении тока. Тогда как в электролитах под воздействием тока идет выделение ионов вещества на электродах (явление электролиза). Различие в результатах действия тока объясняется тем, что носители зарядов в металле и электролите принципиально различны. В металлах — это свободные электроны, которые отделились от атомов, в растворах — это ионы, то есть атомы или их группы, которые имею заряд.

Так, первым необходимым условием существования электрического тока, в каком — либо веществе является наличие носителей тока.

Для того чтобы заряды находились в равновесии необходимо, чтобы разность потенциалов между любыми точками проводника была равна нулю. В том случае, если это условие нарушается, то равновесия нет, тогда заряд перемещается. Следовательно, вторым необходимым условием существования электрического тока в проводнике является создание напряжения между некоторыми точками.

Упорядоченное движение свободных зарядов, которое возникает в проводнике как результат воздействия электрического поля, называют током проводимости.

Однако отметим, что упорядоченное движение заряженных частиц возможно в том случае, если заряженный проводник или диэлектрик перемещать в пространстве. Подобный электрический ток называют конвекционным.

Механизм осуществления постоянного тока

Для того чтобы ток в проводнике шел постоянно, необходимо, чтобы к проводнику (или совокупности проводников — цепь проводников) было присоединено какое — либо устройство, в котором постоянно происходил процесс разделения электрических зарядов и тем самым поддерживалось напряжение в цепи. Это устройство называют источником тока (генератором). Силы, которые разделяют заряды, называют сторонними силами. Они носят неэлектрическое происхождение и действуют только внутри источника. При разделении зарядов сторонние силы создают разность потенциалов между концами цепи.

В том случае, если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил равна нулю. Значит, суммарная работа сил ($A$), которые действуют на заряд равна работе сторонних сил ($A_{st}$). Физическая величина, которая характеризует источник тока — это ЭДС источника (${\mathcal E}$), она определена как:

\[{\mathcal E}=\frac{A}{q}\left(1\right),\]

где $q$ — положительный заряд. Движение заряда идет по замкнутому контуру. ЭДС — не является силой в буквальном смысле. Единица измерения $\left[{\mathcal E}\right]=В$.

Природа сторонних сил может быть различна, так например, в гальваническом элементе сторонние силы являются результатом электрохимических процессов. В машине постоянного тока такой силой является сила Лоренца.

Основные характеристики тока

Направлением тока условно считают направление движения положительных частиц. Значит, направление тока в металлах имеет противоположное направление по отношению к направлению движения частиц.

Электрический ток характеризуют силой тока. Сила тока ($I$) — скалярная величина, которая равна производной от заряда ($q$) по времени для тока, который течет через поверхность S:

\[I=\frac{dq}{dt}\left(2\right).\]

Ток может быть постоянным и переменным. В том случае, если сила тока и его направление не изменяется во времени, то такой ток называют постоянным и для него выражение для силы тока можно записать в виде:

\[I=\frac{q}{t}\left(3\right),\]

где сила тока определена, как заряд, который проходит через поверхность S в единицу времени.

В системе СИ основной единицей измерения силы тока является Ампер (А).

\[1A=\frac{1Кл}{1с}.\]

Векторной локальной характеристикой тока является его плотность.{-4}\frac{м}{с}$.

Закон сохранения заряда

Рис. 1

Фундаментальным физическим законом является закон сохранения электрического заряда. Если выбрать произвольную замкнутую неподвижную поверхность S (рис.1), которая ограничивает объем V, то количество электричества, которое вытекает за секунду из объема V, определяется как $\oint\limits_S{j_ndS.}$ То же количество электричества можно выразить через заряд: $-\frac{\partial q}{\partial t}$, то есть мы имеем:

\[\frac{\partial q}{\partial t}=-\oint\limits_S{j_ndS\left(6\right),}\]

где $j_n$ — проекция вектора плотности тока на направление нормали к элементу поверхности $dS$, при этом:

\[j_n=jcos\alpha \ \left(7\right),\]

где $\alpha $ — угол между направлением нормали к dS и вектором плотности тока. В уравнении (6) употребляется частная производная для того, чтобы подчеркнуть, что поверхность S неподвижна.

Уравнение (6) — есть закон сохранения заряда в макроскопической электродинамике. В том случае, если ток постоянен во времени, то закон сохранения заряда запишем в виде:

\[\oint\limits_S{j_ndS=0\left(8\right).}\]

Постоянный ток. Определение и параметры

Постоянный ток (DC — Direct Current) — электрический ток, не меняющий своей величины и направления с течением времени.

В реальности постоянный ток не может сохранять величину постоянной. Например, на выходе выпрямителей всегда присутствует переменная составляющая пульсаций. При использовании гальванических элементов, батареек или аккумуляторов, величина тока будет уменьшаться по мере расхода энергии, что актуально при больших нагрузках.

Постоянный ток существует условно в тех случаях, где можно пренебречь изменениями его постоянной величины.

Постоянная составляющая тока и напряжения.

Если рассмотреть форму тока в нагрузке на выходе выпрямителей или преобразователей, можно увидеть пульсации — изменения величины тока, существующие, как результат ограниченных возможностей фильтрующих элементов выпрямителя.
В некоторых случаях величина пульсаций может достигать достаточно больших значений, которые нельзя не учитывать в расчётах, например, в выпрямителях без применения конденсаторов.
Такой ток обычно называют пульсирующим или импульсным. В этих случаях следует рассматривать постоянную DC и переменную AC составляющие.

Постоянная составляющая DC — величина, равная среднему значению тока за период.

AVG — аббревиатура Avguste — Среднее.

Переменная составляющая AC — периодическое изменение величины тока, уменьшение и увеличение относительно среднего значения
.

Следует учитывать при расчётах, что величина пульсирующего тока будет равна не среднему значению, а квадратному корню из суммы квадратов двух величин — постоянной составляющей (DC) и среднеквадратичного значения переменной составляющей (AC), которая присутствует в этом токе, обладает определённой мощностью и суммируется с мощностью постоянной составляющей.

Вышеописанные определения, а так же термины AC и DC могут быть использованы в равной степени как для тока, так и для напряжения .

Отличие постоянного тока от переменного

По ассоциативным предпочтениям в технической литературе импульсный ток часто называют постоянным, так как он имеет одно постоянное направление.
В таком случае необходимо уточнять, что имеется в виду постоянный ток с переменной составляющей.
А иногда его называют переменным, по той причине, что периодически меняет величину. Переменный ток с постоянной составляющей.
Обычно берут за основу составляющую, которая больше по величине или которая наиболее значима в контексте.

Следует помнить, что постоянный ток или напряжение характеризует, кроме направления, главный критерий — постоянная его величина,
которая служит основой физических законов и является определяющей в расчётных формулах электрических цепей.
Постоянная составляющая DC, как среднее значение, является лишь одним из параметров переменного тока.

Для переменного тока (напряжения) в большинстве случаев бывает важен критерий — отсутствие постоянной составляющей, когда среднее значение равно нулю.

Это ток, который протекает в конденсаторах, силовых трансформаторах, линиях электропередач. Это напряжение на обмотках трансформаторов и в бытовой электрической сети.
В таких случаях постоянная составляющая может существовать только в виде потерь, вызванных нелинейным характером нагрузок.

Параметры постоянного тока и напряжения

Сразу следует отметить, что устаревший термин «сила тока» в современной отечественной технической литературе используется уже нечасто и
признан некорректным. Электрический ток характеризует не сила, а скорость и интенсивность перемещения заряженных частиц. А именно, количество заряда, прошедшее за единицу времени через поперечное сечение проводника.
Основным параметром для постоянного тока является величина тока.

Единица измерения тока — Ампер.
Величина тока 1 Ампер — перемещение заряда 1 Кулон за 1 секунду.

Единица измерения напряжения — Вольт.
Величина напряжения 1 Вольт — разность потенциалов между двумя точками электрического поля, необходимая для совершения работы 1 Джоуль при прохождения заряда 1 Кулон.

Для выпрямителей и преобразователей часто бывает важными следующие параметры для постоянного напряжения или тока:

Размах пульсаций напряжения (тока) — величина, равная разности между максимальным и минимальным значениями.
Коэффициент пульсаций — величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей AC напряжения или тока к его постоянной составляющей DC.

Похожие статьи: Параметры переменного тока.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Презентация на тему: Глава 3.3. Постоянный электрический ток. Элементы физической электроники

Первый слайд презентации: Глава 3.3. Постоянный электрический ток. Элементы физической электроники

Курс лекций по общей физики
Доцент Петренко Л.Г.
Кафедра общей и экспериментальной физики НТУ «ХПИ»
Харьков — 2013 год

Изображение слайда

Слайд 2: 3.3. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В проводниках (твёрдых, жидких и газообразных), помещённых в электрическое поле, возникает электрический ток.
Электрический ток — это направленное, упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Такими частицами могут быть электроны (электронная проводимость) или
ионы (ионная проводимость).
За направление электрического тока принято
направление движения положительных электрических зарядов.
Постоянный электрический ток — это ток, при котором
за единицу времени через любое поперечное сечение проводника протекает одинаковый электрический заряд.
3.3.1. Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Сила электрического тока. Вектор плотности тока. Электрическое сопротивление проводников. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Разность электрических потенциалов, электрическое напряжение.

Изображение слайда

Слайд 3

О наличии в цепи электрического тока судят по косвенным признакам — по магнитному, тепловому или химическому действию этого тока. Химическое действие не проявляется только в металлах,
тепловое действие — только в сверхпроводниках.
Магнитное действие тока проявляется всегда.
Фарадей говорил: «Нет действия более характерного
для тока, чем его магнитное действие».
Это явление лежит в основе работы электроизмерительных приборов.
Условия существования электрического тока –
наличие электрического поля и свободных носителей заряда.
Для поддержания непрерывного тока должна существовать
замкнутая цепь и устройство, разделяющее заряды и поддерживающее напряжение в цепи.
Эти устройства называются источниками или генераторами тока.

Изображение слайда

Слайд 4

Электрическое поле перемещает заряды
от большего потенциала  1 к меньшему  2 (  1 >  2 ).
В замкнутой цепи потенциальные силы, осуществляющие это перемещение, не могут поддерживать постоянный электрический ток,
так как.
(здесь — напряжённость потенциального электростатического поля,
— элемент длины контура).
Для поддержания в цепи постоянного тока на каком-то её участке
заряды должны перемещаться
от меньшего потенциала  2 к большему  1.
Это может происходить внутри источника тока и только под воздействием сил, имеющих не потенциальную природу,
так называемых сторонних сил.
Действие сторонних сил характеризуется
электродвижущей силой — ЭДС.

Изображение слайда

Слайд 5

Мерой ЭДС является разность потенциалов
на разомкнутых клеммах источника тока.
ЭДС обозначается  и измеряется в вольтах [  ] = 1 В.
где — напряжённость поля сторонних сил, — элемент длины контура.
,
В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе
сторонних сил А ст по перемещению единичного
положительного заряда вдоль всего контура :
Сторонние силы могут иметь
химическую природу — гальванические элементы, аккумуляторы,
электромагнитную природу — электрогенераторы, фотоэлектрическую — фотоэлементы и т.д.
Физическая величина, характеризующая
работу и электрических, и сторонних сил
по перемещению единичного положительного заряда
по замкнутому контуру, называется напряжением :
.

Изображение слайда

Слайд 6

Количественными характеристиками электрического тока являются :
Сила тока — скалярная величина, равная заряду, переносимому
через поперечное сечение проводника за единицу времени :
В СИ сила тока измеряется в амперах: [ I ] = 1A.
Плотность тока — векторная величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади
поперечного сечения s  проводника :
В СИ плотность тока измеряется в амперах, делённых на квадратный метр: [ J ]=1 A/м 2.
Вектор плотности тока ориентирован по направлению упорядоченного движения положительных зарядов и равен,
где n — концентрация носителей заряда, e — их заряд (элементарный заряд),
— вектор скорости упорядоченного движения зарядов в проводнике.
.
.
Постоянный электрический ток возникает под действием постоянного напряжения и может существовать только в замкнутой цепи.
При этом I и J не изменяются с течением времени.
В однородной среде -, в неоднородной среде -.

Изображение слайда

Слайд 7

3.3.2. Законы Ома и Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной
формах. Электрический ток в сплошной среде. Правила Кирхгофа.
Основной закон электрических цепей (закон Ома) установил экспериментально в 1826 году
немецкий физик Георг Ом.
В общем случае закон Ома ( обобщённый ) формулируется так: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению
на этом участке : I = G  U.
Коэффициент пропорциональности G называется проводимостью участка цепи.
Величина, обратная проводимости, называется электросопротивлением или просто сопротивлением участка цепи: R = 1/G.
Обобщённый закон Ома (интегральная форма) имеет вид:
В СИ сопротивление измеряется в омах: [R] = 1 Ом,
проводимость — в сименсах: [G] = 1 См.

Изображение слайда

Слайд 8

Сопротивление проводников зависит от
его размеров, формы и материала, из которого проводник изготовлен. Для однородного проводника с одинаковой по всей длине 
площадью поперечного сечения s сопротивление равно:
где  — удельное сопротивление материала проводника.
,
В области температур, близких или выше комнатных, сопротивление линейно зависит от температуры :
R = R 0 (1 +  T ),
где R 0 — сопротивление проводника при температуре Т 0 (обычно Т 0 =0 0 С ),
R — сопротивление этого проводника при температуре Т = Т 0 +  T,
 — термический коэффициент сопротивления.

Изображение слайда

Слайд 9

В конкретных электротехнических задачах закон Ома
удобно представлять в виде —
для неоднородного участка цепи
(содержащего ЭДС):.
— для замкнутой цепи :.
Здесь (  1 —  2 ) — разность потенциалов на концах участка,
 — алгебраическая сумма ЭДС неоднородного участка цепи
или всего контура (в случае замкнутой цепи),
R — полное сопротивление всех однородных участков цепи,
r — общее внутреннее сопротивление всех источников ЭДС,
R полн = R + r — полное сопротивление неоднородного участка цепи.
Перед  ставятся знаки « + » или « — » в зависимости
от полярности источника ЭДС по отношению
к полярности внешнего напряжения (  1 —  2 ), приложенного к участку цепи.
для однородного участка цепи
(не содержащего ЭДС):.

Изображение слайда

Слайд 10

Закон Ома можно представить в дифференциальной форме,
если в его записи использовать вместо интегральных характеристик — силы тока I, напряжения U и сопротивления R,
дифференциальные, характеризующие электрическое состояние среды в одной точке, — плотность тока J, напряжённость поля E и удельное сопротивление проводника  соответственно.
Поскольку
Плотность тока и напряжённость поля
являются коллинеарными векторами:.
Для проводника, имеющего форму цилиндра, можно записать:
(  — удельная проводимость
материала проводника),
то закон Ома можно представить в виде: J =  E.
Таким образом, закон Ома в дифференциальной форме
принимает вид:.

Изображение слайда

Слайд 11

В 1841г. Дж. Джоуль и независимо от него в 1842г. Э. Ленц установили экспериментально закон, согласно которому
Этот закон называется
законом Джоуля-Ленца.
количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально квадрату силы тока I, электросопротивлению R проводника и
времени t прохождения тока :
Q = I 2  R  t,
или в интегральной форме :
Мощность, выделяющаяся в элементе цепи с сопротивлением R равна:
.

Изображение слайда

Слайд 12

Применение закона Джоуля-Ленца к однородному цилиндрическому проводнику, имеющему объём V = s.  позволяет определить количество тепла, выделяющееся за время t в проводнике:
Удельная мощность, т.е. количество тепла, выделяющееся за единицу времени в единице объёма проводника, равна:
Эта формула выражает
закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.
Этот закон является одним из проявлений фундаментального закона природы — закона сохранения и превращения энергии.
.

Изображение слайда

Слайд 13

В разветвлённой цепи нужно выделить:
Правила Кирхгофа
Обобщённый закон Ома позволяет рассчитать практически любую сложную цепь. Однако непосредственный расчёт разветвлённых электрических цепей, содержащих
множество замкнутых контуров, довольно сложен.
Эта задача значительно упрощается с помощью
двух правил Кирхгофа.
узлы — точки, в которых сходятся не менее
трёх проводников, причём токи, входящие
в узел считаются положительными,
а токи, выходящие из узла, отрицательными ;
ветви — участки цепи между двумя
соседними узлами.

Изображение слайда

Слайд 14

Первое правило Кирхгофа.
Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю :
Это правило является следствием
закона сохранения электрического заряда.
Если бы не выполнялось первое правило Кирхгофа,
в узлах происходило бы накапливание электрических зарядов.
линейно независимых уравнений
(последнее n -ое уравнение является линейной комбинацией других уравнений, поэтому нет смысла его учитывать в расчётах).
Для разветвлённой цепи, содержащей n узлов,
можно составить в соответствии с первым правилом Кирхгофа

Изображение слайда

Слайд 15

Второе правила Кирхгофа
В любом замкнутом контуре, произвольно выбранном
в разветвлённой электрической цепи, алгебраическая сумма напряжений на однородных участках этого контура
равна алгебраической сумме ЭДС, имеющихся в этом контуре :
Второе правило Кирхгофа является следствием
обобщённого закона Ома.
линейно независимых уравнений.
Общее число уравнений, составляемых
по обоим правилам Кирхгофа, равно:
(т.е. равно числу ветвей в цепи).
Для электрической цепи, содержащей n узлов и р ветвей, согласно второму правилу Кирхгофа можно составить

Изображение слайда

Слайд 16

Схема расчёта разветвлённых цепей постоянного тока
При расчёте сложных цепей постоянного тока
с применением правил Кирхгофа необходимо:
1) Подсчитать количество узлов n и количество ветвей р в цепи.
2) Задать произвольно направление токов во всех ветвях цепи.
3) Составить n-1 уравнений согласно первому правилу Кирхгофа
(строго учитывать знаки токов).
4) Выбрать р-(n-1) замкнутых контуров таким образом, чтобы
каждая ветвь обязательно была использована в этих контурах.
5) Задать произвольно положительное направление обхода этих
контуров.

Изображение слайда

Слайд 17

6) Составить р-(n-1) уравнений согласно второму правилу Кирхгофа
( строго учитывать знаки напряжений на однородных участках
контуров — если направление тока в ветви совпадает с
направлением обхода контура, то знак напряжения положительный,
в противном случае напряжение будет отрицательным).
7) Составить систему р уравнений и решить её относительно
р неизвестных параметров рассматриваемой цепи
(если в цепи неизвестно больше, чем р параметров, то система
не будет иметь однозначного решения).

Изображение слайда

Слайд 18

3.3.3. Элементы физической электроники.
Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия.
В электронной технике важную роль играют
электронные и ионные (газоразрядные) приборы.
Действие первых основано на движении
в вакууме электронных потоков,
вторых – на физических процессах,
происходящих при протекании
электрического тока в газах.

Изображение слайда

Слайд 19

Электрический ток в вакууме может быть создан только с помощью заряженных частиц, возникающих за счёт эмиссионных явлений на электродах.
Электроны внутри металла (электрода) удерживаются благодаря электростатическому притяжению положительными ионами кристаллической решётки.
Для отрыва электрона от металла ему нужно сообщить некоторую энергию, совершив определённую работу,
1) термоэлектронная эмиссия — обусловленная тепловой энергией,
получаемой электронами при нагреве катода;
2) фотоэмиссия — обусловленная световой энергией, получаемой
электронами при освещении катода светом;
3) вторичная электронная эмиссия — обусловленная энергией,
получаемой электронами при бомбардировке катода какими-либо
частицами (электронами, ионами).
В зависимости от способа, которым электронам сообщается энергия, определяют разные типы эмиссии :
которая называется работой выхода электронов из металла.
При этом возникает электронная эмиссия.

Изображение слайда

Слайд 20

Схема установки приведена на рисунке.
Вакуумная лампа содержит два электрода :
катод, представляющий собой вольфрамовую
или молибденовую проволоку,
нагреваемую электрическим током,
и холодный цилиндрический анод,
Рассмотрим более подробно термоэлектронную эмиссию.
собирающий на себя эмитируемые катодом электроны.
Постоянное напряжение между катодом и анодом создаётся
с помощью аккумуляторной батареи, регулируется с помощью потенциометра и измеряется вольтметром, а сила тока в цепи – амперметром.
Вольт-амперная характеристика термоэлектронной лампы
имеет нелинейный характер.

При малых напряжениях зависимость I ( U ) подчиняется
закону Богуславского-Ленгмюра
( «закону 3/2» ):
.


Изображение слайда

Слайд 21

Нелинейность вольт-амперной характеристики термоэлектронной лампы обусловлена тем, что электроны, покидающие катод,
создают вблизи него отрицательный объёмный заряд,
электрическое поле которого тормозит электроны и возвращает их на катод.
Коэффициент пропорциональности С, называемый первеансом, зависит
от формы и размеров электродов, а также от их взаимного расположения.
Например, для плоского диода с площадью
поверхности обоих электродов S и
расстоянием между ними d он равен:

Распределение потенциала между катодом и анодом имеет вид, представленный на рисунке.
Образование минимума потенциала вблизи катода приводит как бы к образованию виртуального катода, эмиссия которого определяется не только током эмиссии реального катода, но и энергией этих электронов и глубиной потенциальной ямы.

Изображение слайда

Слайд 22

При увеличении напряжения сила тока выходит на насыщение. Плотность тока насыщения зависит от температуры катода и определяется формулой Ричардсона-Дэшмана,
теоретически выведенной на основе квантовой статистики:
где А — работа выхода электронов из катода ;
Т — температура катода ;
В — постоянная величина, теоретически одинаковая для всех металлов, но практически зависящая от процессов, происходящих у поверхности катода.
Явление термоэлектронной эмиссии широко применяется в электронной технике – в электронных лампах, телевизионных и рентгеновских трубках,
в электронных микроскопах и электронографах.

Изображение слайда

Слайд 23

3.3.4. Электрический ток в газах. Процессы ионизации и рекомбинации. Электропроводность слабо ионизованных газов. Понятие о плазме. Области применения физической электроники.
Электрический ток могут проводить только ионизованные газы.
Прохождение электрического тока через газы называется
газовым разрядом.
Если ионизация газа происходит в результате термического, рентгеновского или радиационного воздействия, то в газе возникает несамостоятельный разряд.
Если разряд в газе сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора, то возникает самостоятельный разряд.
Характер разряда зависит от многих факторов –
химической природы газа и электродов, температуры, давления, напряжения, плотности тока и мощности.

Изображение слайда

Слайд 24

Схема установки, в которой осуществляется газовый разряд:
Газонаполненная лампа содержит катод и анод. Постоянное напряжение между катодом и анодом создаётся с помощью аккумуляторной батареи, регулируется с помощью потенциометра и измеряется вольтметром, а сила тока в цепи – амперметром.
Для возбуждения газового разряда используются специальные устройства – ионизаторы.
Вольт-амперная характеристика имеет
резко выраженный нелинейный характер.
При малых напряжениях наблюдается небольшой линейный участок ОА
( здесь выполняется закон Ома ).
Затем постепенно сила тока выходит
на насыщение (участок ВС).
На участке С D происходит ударная ионизация, и ток начинает быстро расти. Начиная с точки D, ток растёт практически без увеличения напряжения. Несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный.


Изображение слайда

Слайд 25

Механизм возникновения самостоятельного газового разряда
состоит в том, что при больших напряжениях между электродами газового промежутка первичные электроны, возникшие под воздействием внешнего ионизатора,
сильно ускоряются, и сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их.
В результате образуются вторичные электроны и положительные ионы.
При самостоятельном разряде
электроны в газоразрядный объём
могут поступать также за счёт эмиссии их
с поверхности электродов, бомбардируемой положительно заряженными ионами.
Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа.
Количество электронов и ионов возрастает лавинообразно.
Это и является причиной резкого увеличения
электрического тока на участке С D.

Изображение слайда

Слайд 26

Типы самостоятельного разряда.
Тлеющий разряд – возникает в газах при низких давлениях.
Искровой разряд – возникает в газе при давлении порядка атмосферного
при больших напряжённостях электрического поля (  3. 10 6 В/м).
Используется в лампах дневного света,
в газосветных трубках
для светящихся надписей и реклам,
для катодного напыления металлов.
Примером мощного искрового разряда является молния.
Искровой разряд используется:
1) в искровых разрядниках для предохранения линий электропередачи от перенапряжения,
2) для воспламенения горючей смеси
в двигателях внутреннего сгорания,
3) для электроискровой точной обработки металлов (резание, сверление),
4) в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц ( искровые счётчики ).

Изображение слайда

Слайд 27

Дуговой разряд находит широкое применение:
1) для сварки и резки металлов,
2) получения высококачественной стали (дуговая печь),
3) освещения (прожекторы, проекционная аппаратура), 4) в медицине (кварцевые лампы).
Дуговой разряд возникает, если:
1) после зажигания искрового разряда
от мощного источника постепенно
уменьшать расстояние между электродами;
2) минуя стадию искры, сблизить электроды
(например, угольные) до соприкосновения,
а затем развести.
При атмосферном давлении температура катода примерно равна 3900К, за счёт высокой температуры и поддерживается дуговой разряд
(возникает термоэлектронная эмиссия с катода
и термическая ионизация молекул газа).

Изображение слайда

Слайд 28

Коронный разряд –
возникает при высоком давлении
в резко неоднородном поле вблизи электродов
с большой кривизной поверхности
(например, острия ). Вблизи острия
напряжённость поля достигает 30 кВ/см, и вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны.
Вредное действие короны вокруг проводов высоковольтных линий электропередач проявляется
в возникновении вредных токов утечки.
В естественных условиях корона возникает под влиянием
атмосферного электричества у вершин деревьев, мачт
(на это основано действие молниеотводов).
Для их снижения эти провода делают толстыми.
Коронный разряд является источником радиопомех.
Огни святого Эльма.

Изображение слайда

Слайд 29

Понятие о плазме.
Суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объёме плазмы равен нулю.
Некоторые виды самостоятельного разряда характеризуются очень высокой степенью ионизации газа, при которой концентрации электронов и положительных ионов приблизительно равны.
Кроме газоразрядной плазмы, существует также высокотемпературная плазма.
При очень высоких температурах (Т~10 8 К) происходит термическая ионизация газа –
его молекулы вначале распадаются на атомы,
а затем атомы превращаются в ионы.
Такая система из электронов и положительных ионов, имеющих практически одинаковую плотность называется плазмой.

Изображение слайда

Слайд 30

Плазма резко отличается от нейтральных газов
вследствие двух факторов:
1) Взаимодействие заряженных частиц в плазме является
не «парным», а «коллективным» —
одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц; кулоновские силы притяжения и отталкивания в плазме убывают
с расстоянием значительно медленнее,
чем при «парном» взаимодействии.
2) Электрические и магнитные поля очень сильно действуют
на плазму, вызывая появление в ней объёмных зарядов и токов и обуславливая целый ряд специфических свойств, которые позволяют рассматривать плазму как особое, четвёртое состояние вещества.
Однородное пространственное распределение электронов и ионов обеспечивает главное свойство плазмы – её квазинейтральность. Электрическое поле отдельной частицы в плазме экранируется частицами противоположного знака на расстоянии D,
называемом дебаевским радиусом экранирования.

Изображение слайда

Последний слайд презентации: Глава 3.3. Постоянный электрический ток. Элементы физической электроники

Низкотемпературная плазма (Т~10 3 К) находит применение:
Изучение высокотемпературной плазмы важно в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). Плазма из дейтерия и трития – основной объект исследований в области УТС.
для резки и сварки металлов, для нанесения покрытий,
в газоразрядных источниках света и газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях тепловой энергии в электрическую,
в магнитогидродинамических генераторах
(МГД-генераторах), в плазмотронах
для получения некоторых химических соединений (например, галогенидов инертных газов, которые не удаётся получить иным путём).

Изображение слайда

Электрический ток | Безграничная физика

Аккумулятор

Аккумулятор — это устройство, преобразующее химическую энергию непосредственно в электрическую.

Цели обучения

Опишите функции и определите основные компоненты батареи

Основные выводы

Ключевые моменты

Аккумулятор накапливает электрический потенциал в результате химической реакции. Когда он подключен к цепи, этот электрический потенциал преобразуется в кинетическую энергию по мере прохождения электронов по цепи.
Напряжение или разность потенциалов между двумя точками определяется как изменение потенциальной энергии заряда q, перемещенного из точки 1 в точку 2, деленное на заряд.
Напряжение батареи является синонимом ее электродвижущей силы или ЭДС. Эта сила отвечает за прохождение заряда через цепь, известную как электрический ток.

Ключевые термины

аккумулятор : Устройство, вырабатывающее электричество в результате химической реакции между двумя веществами.
ток : временная скорость протекания электрического заряда.
напряжение : величина электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.

Символ батареи на принципиальной схеме : Это символ батареи на принципиальной схеме. Он возник как схематический рисунок батареи самого раннего типа — гальванической батареи. Обратите внимание на положительный катод и отрицательный анод. Эта ориентация важна при рисовании принципиальных схем, чтобы изобразить правильный поток электронов.

Аккумулятор — это устройство, преобразующее химическую энергию непосредственно в электрическую. Он состоит из ряда гальванических элементов, последовательно соединенных проводящим электролитом, содержащим анионы и катионы. Одна полуячейка включает электролит и анод или отрицательный электрод; другая полуячейка включает электролит и катод или положительный электрод. В окислительно-восстановительной реакции, которая приводит в действие аккумулятор, катионы восстанавливаются (добавляются электроны) на катоде, а анионы окисляются (электроны удаляются) на аноде.Электроды не касаются друг друга, но электрически связаны электролитом. В некоторых элементах используются два полуэлемента с разными электролитами. Разделитель между полуэлементами позволяет ионам течь, но предотвращает смешивание электролитов.

Каждая полуячейка имеет электродвижущую силу (или ЭДС), определяемую ее способностью передавать электрический ток изнутри во внешнюю часть ячейки. Чистая ЭДС клетки — это разница между ЭДС ее полуэлементов или разность восстановительных потенциалов полуреакций.

Электрическая движущая сила на выводах элемента известна как напряжение на выводах (разность) и измеряется в вольтах. Когда батарея подключена к цепи, электроны от анода проходят через цепь к катоду по прямой цепи. Напряжение батареи является синонимом ее электродвижущей силы или ЭДС. Эта сила отвечает за прохождение заряда через цепь, известную как электрический ток.

Аккумулятор накапливает электрический потенциал в результате химической реакции.Когда он подключен к цепи, этот электрический потенциал преобразуется в кинетическую энергию по мере прохождения электронов по цепи. Электрический потенциал определяется как потенциальная энергия на единицу заряда ( q ). Напряжение или разность потенциалов между двумя точками определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного из точки 1 в точку 2, деленное на заряд. В перестроенном виде это математическое соотношение можно описать как:

[латекс] \ Delta \ text {PE} = \ text {q} \ Delta \ text {V} [/ latex]

Напряжение — это не то же самое, что энергия.Напряжение — это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), но при этом один хранит гораздо больше энергии, чем другой. Автомобильный аккумулятор может заряжать больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба аккумулятора 12 В.

Идеальные и настоящие батареи : Краткое введение в идеальные и настоящие батареи для студентов, изучающих электрические схемы.

Измерения тока и напряжения в цепях

Электрический ток прямо пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению в цепи.

Цели обучения

Опишите взаимосвязь между электрическим током, напряжением и сопротивлением в цепи

Основные выводы

Ключевые моменты

Простая схема состоит из источника напряжения и резистора.

Закон

Ома дает соотношение между током I , напряжением В и сопротивлением R в простой схеме: I = В / R .
Единицей измерения скорости электрического заряда в системе СИ является ампер, который равен заряду, протекающему через некоторую поверхность со скоростью один кулон в секунду.

Ключевые термины

электрический ток : движение заряда по цепи
Ом : в Международной системе единиц производная единица электрического сопротивления; электрическое сопротивление устройства, на котором разность потенциалов в один вольт вызывает ток в один ампер; символ: Ω
ампер : единица электрического тока; стандартная базовая единица в Международной системе единиц.Аббревиатура: amp. Символ: A.

Чтобы понять, как измерять ток и напряжение в цепи, вы также должны иметь общее представление о том, как работает схема и как связаны ее электрические измерения.

Что такое напряжение? : Это видео помогает получить концептуальное представление о напряжении.

Электрическая цепь — это тип сети с замкнутым контуром, который обеспечивает обратный путь для тока. Простая схема состоит из источника напряжения и резистора и схематически может быть представлена как на рис.

Простая схема : Простая электрическая цепь, состоящая из источника напряжения и резистора

Согласно закону Ома, электрический ток I , или движение заряда, протекающий через большинство веществ, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению В . Электрическое свойство, препятствующее току (примерно такое же, как трение и сопротивление воздуха), называется сопротивлением R . Столкновения движущихся зарядов с атомами и молекулами вещества передают энергию веществу и ограничивают ток.Сопротивление обратно пропорционально току. Следовательно, закон Ома можно записать следующим образом:

[латекс] \ text {I} = \ text {V} / \ text {R} [/ latex]

, где I — ток через проводник в амперах, В, — разность потенциалов, измеренная на проводнике в вольтах, а R — сопротивление проводника в омах (Ом). Более конкретно, закон Ома гласит, что R в этом отношении является постоянным, не зависящим от тока.Используя это уравнение, мы можем рассчитать ток, напряжение или сопротивление в данной цепи.

Например, если у нас есть батарея на 1,5 В, которая была подключена по замкнутой цепи к лампочке с сопротивлением 5 Ом, какой ток течет по цепи? Чтобы решить эту проблему, мы просто подставим указанные значения в закон Ома: I = 1,5 В / 5 Ом; I = 0,3 ампера. Зная ток и сопротивление, мы можем изменить уравнение закона Ома и найти напряжение В :

[латекс] \ text {V} = \ text {IR} [/ латекс]

Вид под микроскопом: скорость дрейфа

Скорость дрейфа — это средняя скорость, которую достигает частица под действием электрического поля.

Цели обучения

Свяжите скорость дрейфа со скоростью свободных зарядов в проводниках

Основные выводы

Ключевые моменты

В проводниках есть электрическое поле, которое заставляет электроны дрейфовать в направлении, противоположном полю. Скорость дрейфа — это средняя скорость этих свободных зарядов.
Выражение для связи между током и скоростью дрейфа можно получить, рассмотрев количество свободных зарядов в отрезке провода.
I = qnAv связывает скорость дрейфа с током, где I — ток через провод с площадью поперечного сечения A , изготовленный из материала с плотностью свободного заряда n . Каждый носитель тока имеет заряд q и движется со скоростью дрейфа величиной v .

Ключевые термины

скорость дрейфа : средняя скорость свободных зарядов в проводнике.

Скорость дрейфа

Известно, что электрические сигналы движутся очень быстро.Телефонные разговоры по проводам проходят на большие расстояния без заметных задержек. Свет загорается при нажатии переключателя. Большинство электрических сигналов, переносимых токами, передаются со скоростью порядка 10 ⁸ м / с, что составляет значительную часть скорости света. Интересно, что отдельные заряды, составляющие ток, в среднем движутся намного медленнее, обычно дрейфуя со скоростью порядка 10 ^-4 м / с.

Высокая скорость электрических сигналов является результатом того факта, что сила между зарядами быстро действует на расстоянии.Таким образом, когда свободный заряд вводится в провод, входящий заряд выталкивает другие заряды впереди себя, которые, в свою очередь, подталкивают заряды дальше по линии. Возникающая в результате электрическая ударная волна движется по системе почти со скоростью света. Если быть точным, этот быстро движущийся сигнал или ударная волна представляет собой быстро распространяющееся изменение электрического поля.

Электроны, движущиеся через проводник : Когда заряженные частицы выталкиваются в этот объем проводника, такое же количество быстро вынуждено покинуть его.Отталкивание между одноименными зарядами затрудняет увеличение количества зарядов в объеме. Таким образом, как только один заряд входит, другой почти сразу уходит, быстро передавая сигнал вперед.

Скорость дрейфа

Хорошие проводники имеют большое количество бесплатных зарядов. В металлах свободными зарядами являются свободные электроны. Расстояние, на которое может перемещаться отдельный электрон между столкновениями с атомами или другими электронами, довольно мало. Таким образом, пути электронов кажутся почти случайными, как движение атомов в газе.Однако в проводнике есть электрическое поле, которое заставляет электроны дрейфовать в указанном направлении (противоположном полю, поскольку они отрицательны). Скорость дрейфа v _d — это средняя скорость свободных зарядов после приложения поля. Скорость дрейфа довольно мала, так как свободных зарядов очень много. Имея оценку плотности свободных электронов в проводнике (количество электронов в единице объема), можно вычислить скорость дрейфа для заданного тока.Чем больше плотность, тем ниже скорость, необходимая для данного тока.

Скорость дрейфа : Свободные электроны, движущиеся в проводнике, совершают множество столкновений с другими электронами и атомами. Показан путь одного электрона. Средняя скорость свободных зарядов называется дрейфовой скоростью и направлена в направлении, противоположном электрическому полю электронов. Столкновения обычно передают энергию проводнику, требуя постоянного подвода энергии для поддержания постоянного тока.

Можно получить выражение для связи между током и скоростью дрейфа, учитывая количество свободных зарядов в отрезке провода. Количество бесплатных зарядов на единицу объема обозначается символом n и зависит от материала. Ax — это объем сегмента, поэтому количество бесплатных зарядов в нем составляет nAx . Заряд ΔQ в этом сегменте, таким образом, равен qnAx , где q — это сумма заряда на каждом носителе.(Напомним, что для электронов q составляет 1,60 × 10−19C.) Ток — это заряд, перемещаемый за единицу времени. Таким образом, если все первоначальные заряды покидают этот сегмент за время t, ток равен:

[латекс] \ text {I} = \ Delta \ text {Q} / \ Delta \ text {t} = \ text {qnAx} / \ Delta \ text {t} [/ latex]

Примечательно, что x / Δt — это величина скорости дрейфа v _d , поскольку заряды перемещаются на среднее расстояние x за время t. Перестановка терминов дает: I = qnAv _d , где I — ток через провод с площадью поперечного сечения A , изготовленный из материала с плотностью свободного заряда n .Каждый носитель тока имеет заряды q и движется со скоростью дрейфа величиной v _d .

Плотность тока — это электрический ток на единицу площади поперечного сечения. Он имеет единицы ампер на квадратный метр.

Текущее электричество — Science World

Цели

Опишите компоненты, необходимые для замыкания электрической цепи.
Продемонстрируйте различные способы завершения цепи (параллельной или последовательной).
Определите, как электричество используется в бытовых приборах.
Опишите взаимосвязь между электроном и текущим электричеством.

Материалы

Фон

Электричество используется для работы вашего мобильного телефона, силовых поездов и кораблей, для работы вашего холодильника и двигателей в таких машинах, как кухонные комбайны.Электрическая энергия должна быть заменена на другие формы энергии, такие как тепловая, световая или механическая, чтобы быть полезной.

Все, что мы видим, состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Атомы состоят из еще более мелких частей, называемых протонами, электронами и нейтронами. Атом обычно имеет одинаковое количество протонов (имеющих положительный заряд) и электронов (имеющих отрицательный заряд). Иногда электроны можно отодвинуть от своих атомов.

Электрический ток — это движение электронов по проводу.Электрический ток измеряется в ампер, (ампер) и относится к количеству зарядов, которые перемещаются по проводу за секунду.

Для протекания тока цепь должна быть замкнута; Другими словами, должен быть непрерывный путь от источника питания через цепь, а затем обратно к источнику питания.

Параллельная цепь (вверху)

Цепь серии (внизу)

Напряжение иногда называют электрическим потенциалом и измеряется в вольт .Напряжение между двумя точками в цепи — это полная энергия, необходимая для перемещения небольшого электрического заряда из одной точки в другую, деленная на размер заряда.

Сопротивление измеряется в Ом и относится к силам, которые препятствуют протеканию электронного тока в проводе. Мы можем использовать сопротивление в своих интересах, преобразовывая электрическую энергию, потерянную в резисторе, в тепловую энергию (например, в электрической плите), световую энергию (лампочка), звуковую энергию (радио), механическую энергию (электрический вентилятор) или магнитную энергию. энергия (электромагнит).Если мы хотим, чтобы ток протекал напрямую из одной точки в другую, мы должны использовать провод с минимально возможным сопротивлением.

Аккуратная аналогия, помогающая понять эти тер мс: система водопроводных труб.

Напряжение эквивалентно давлению воды, которая выталкивает воду в трубу
Ток эквивалентен расходу воды
Сопротивление похоже на ширину трубы — чем тоньше труба, тем выше сопротивление и тем труднее протекает вода.

В этой серии заданий учащиеся будут экспериментировать с проводами, батареями и переключателями, чтобы создать свои собственные электрические цепи, одновременно изучая напряжение, ток и сопротивление.

Интересный факт!

Вы можете заметить, что символы некоторых единиц СИ (Международная система единиц) в этом плане урока написаны с заглавной буквы, например вольт (В) и ампер (А), в отличие от тех, к которым вы привыкли. используя (м, кг).При названии единицы в честь человека принято использовать заглавную букву. В этих случаях подразделения были названы в честь Алессандро Вольта и Андре-Мари Ампера. Единица измерения сопротивления также была названа в честь человека (Георг Симон Ома), но использует символ Ω, который представляет греческую букву омега. Эти правила важно соблюдать, поскольку строчные и прописные буквы могут означать разные единицы измерения, такие как тонна (т) и тесла (Т). Единственным исключением является то, что для литров допустимо использовать L, поскольку букву «l» часто путают с цифрой «1»!

Словарь

амперметр : прибор для измерения электрического тока в цепи; единица измерения — амперы или амперы (А).
цепь : Путь для прохождения электрического тока.
проводник : Вещество, состоящее из атомов, которые свободно удерживают электроны, что позволяет им легче проходить через него.
электрический ток : непрерывный поток электрического заряда, перемещающийся из одного места в другое по пути; требуется для работы всех электрических устройств; измеряется в амперах или амперах (A).
электрохимическая реакция : реакция, которая чаще всего включает перенос электронов между двумя веществами, вызванный или сопровождаемый электрическим током.
электрод : проводник, по которому ток входит или выходит из объекта или вещества.
электрон : субатомная частица с отрицательным электрическим зарядом.
изолятор : Вещество, состоящее из атомов, которые очень прочно удерживают электроны, что не позволяет электронам легко проходить сквозь них.
параллельная цепь : Тип схемы, которая позволяет току течь по параллельным путям. Электрический ток распределяется между разными путями.Если лампочки подключены в параллельную цепь, и одна из лампочек удалена, ток все равно будет течь, чтобы зажечь другие лампочки в цепи.
полупроводник : Вещество, состоящее из атомов, которые удерживают электроны с силой между проводником и изолятором.
последовательная цепь : Схема, в которой все компоненты соединены по единому пути, так что один и тот же ток течет через все компоненты. Если вынуть одну из лампочек, цепь разорвется, и ни одна из других лампочек не будет работать.
напряжение : Разность потенциалов между двумя точками в цепи, например положительным и отрицательным полюсами батареи. Его часто называют «толчком» или «силой» электричества. Возможно иметь напряжение без тока (например, если цепь неполная и электроны не могут течь), но невозможно иметь ток без напряжения. Он измеряется в вольтах (В).
вольтметр : прибор, используемый для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи.

Прочие ресурсы

г. до н.э. Hydro | Power Smart для школ

г. до н.э. Hydro | Изучение простых схем

г. до н.э. Hydro | Изучение последовательных и параллельных цепей

г. до н.э. Hydro | Электробезопасность

Как работает материал | Как работают светодиоды

Для покупки елочных мини-лампочек: Home Depot, Canadian Tire

Для приобретения небольших учебных лампочек (номиналом не более 2 вольт каждая): Boreal Science

переменного тока и постоянного тока (переменный ток и постоянный ток) — разница и сравнение

Электроэнергия течет двумя способами: переменным током (AC) или постоянным током (DC) .Электричество или «ток» — это не что иное, как движение электронов по проводнику, например по проводу. Разница между переменным и постоянным током заключается в направлении потока электронов. В постоянном токе электроны стабильно движутся в одном направлении, или «вперед». В переменном токе электроны постоянно меняют направление, иногда идя «вперед», а затем «назад».

Переменный ток — лучший способ передавать электричество на большие расстояния.

Таблица сравнения

Таблица сравнения переменного и постоянного тока
	Переменный ток	Постоянный ток
Количество энергии, которое может быть перенесено	Безопасно для передачи на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность.	Напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, пока не начнет терять энергию.
Причина направления потока электронов	Вращающийся магнит вдоль провода.	Постоянный магнетизм вдоль провода.
Частота	Частота переменного тока составляет 50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны.	Частота постоянного тока равна нулю.
Направление	Он меняет направление на противоположное при движении по контуру.	Он течет в контуре в одном направлении.
Ток	Это ток, величина которого меняется со временем	Это ток постоянной величины.
Поток электронов	Электроны меняют направление — вперед и назад.	Электроны стабильно движутся в одном направлении или «вперед».
Получено от	Генератор переменного тока и сеть.	Элемент или батарея.
Пассивные параметры	Импеданс.	Только сопротивление
Коэффициент мощности	Входит между 0 и 1.	всегда 1.
Типы	Синусоидальный, трапециевидный, треугольный, квадратный.	Чистый и пульсирующий.

Переменный и постоянный ток. По горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной оси — напряжение.

Истоки переменного и постоянного тока

Магнитное поле около провода заставляет электроны течь в одном направлении вдоль провода, потому что они отталкиваются отрицательной стороной магнита и притягиваются к положительной стороне.Так родилась мощность постоянного тока от батареи, в первую очередь благодаря работе Томаса Эдисона.

Генераторы переменного тока

постепенно заменили систему батарей постоянного тока Эдисона, поскольку переменный ток безопаснее передавать на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность. Вместо постоянного приложения магнетизма к проводу ученый Никола Тесла использовал вращающийся магнит. Когда магнит был ориентирован в одном направлении, электроны текли к положительному положению, но когда ориентация магнита менялась, электроны также вращались.

Видео сравнения переменного и постоянного тока

Применение трансформаторов переменного тока

Еще одно различие между переменным и постоянным током заключается в количестве энергии, которое он может переносить. Каждая батарея предназначена для выработки только одного напряжения, и это напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, пока не начнет терять энергию. Но напряжение переменного тока от генератора на электростанции может быть увеличено или уменьшено с помощью другого механизма, называемого трансформатором .Трансформаторы располагаются на электрическом столбе на улице, а не на электростанции. Они изменяют очень высокое напряжение на более низкое, подходящее для вашей бытовой техники, такой как лампы и холодильники.

Хранение и преобразование из переменного тока в постоянный и наоборот

AC может даже быть изменен на DC с помощью адаптера, который вы можете использовать для питания батареи вашего ноутбука. DC можно «подтолкнуть» вверх или вниз, только это немного сложнее. Инверторы изменяют постоянный ток на переменный. Например, для вашего автомобиля инвертор изменит 12 вольт постоянного тока на 120 вольт переменного тока, чтобы запустить небольшое устройство.Хотя постоянный ток можно хранить в батареях, вы не можете хранить переменный ток.

Список литературы

Поделитесь этим сравнением:

Если вы дочитали до этого места, подписывайтесь на нас:

«Переменный ток против постоянного (переменный ток против постоянного)». Diffen.com. Diffen LLC, н.д. Интернет. 16 июля 2021 г. <>

Характеристики переменного и постоянного тока | Sciencing

Токи переменного и постоянного тока имеют общие характеристики.Оба они состоят из движущихся зарядов и имеют жизненно важное значение для схем и электронных устройств. Однако они генерируются по-разному и ведут себя по-разному. Переменные токи синусоидальны и исходят от генераторов переменного тока. Постоянный ток постоянен во времени и исходит от таких источников, как батареи или генераторы постоянного тока. Эти различия между ними влияют на роли, которые они играют в схемах.

Токи постоянного тока

Постоянные токи протекают только в одном направлении и постоянны во времени. Их внешний вид — это прямая линия, которая не меняется.Они производятся из источников питания, таких как батареи, блоки питания и генераторы постоянного тока. Фотоэлектрические устройства, такие как солнечные элементы, также вырабатывают постоянный ток.

Переменные токи

Переменные токи меняют направление, протекая сначала в одну сторону, а затем в другую. Это синусоидальные волны, поэтому они меняются во времени. Они производятся из таких источников, как блоки питания и генераторы переменного тока. В Северной Америке переменный ток составляет 120 вольт и 60 герц или циклов в секунду. Это означает, что он меняет направление 60 раз в секунду.В Европе это обычно 50 герц при напряжении от 220 до 240 вольт.

Электрогенераторы

Генераторы переменного тока вырабатывают электричество путем преобразования механической энергии в электрическую. Механическая энергия пара используется для вращения петель в магнитном поле, а генерируемая ЭДС представляет собой синусоидальную волну, которая изменяется во времени. Генераторы постоянного тока очень похожи на свои аналоги переменного тока, но у них генерируется ЭДС постоянного тока.

Необычные источники электроэнергии

Сбор энергии, также известный как сбор энергии или сбор энергии, — это место, где накапливается и улавливается энергия окружающей среды.Источники энергии из окружающей среды являются естественными, неэлектрическими по своей природе и самовосстанавливающимися, например, ветер или солнце. Сбор энергии человеком использует человеческое тело для производства энергии. Походка человека, благодаря своим колебательным движениям, является естественным источником переменного тока. Для изучения этого явления были созданы наколенники и человеческие рюкзаки.

Органы электрических угрей состоят из элементов в форме диска, которые ведут себя как батареи и собраны рядами, поэтому по своей природе они являются постоянным током. Они могут вырабатывать от 100 до 650 вольт, в зависимости от их размера.Угри используют свое электричество, чтобы шокировать добычу, а также для самообороны.

Функции

Переменный ток используется для питания двигателей в холодильниках, поездах, компьютерах, жестких дисках, промышленном оборудовании, бытовой технике и многих других электронных устройствах. Они используются для питания зданий, как и электричество, которое поступает из розеток в домашних условиях. Постоянный ток, производимый батареями, используется в электроинструментах, портативных радиоприемниках и телевизорах, игрушках и многих других устройствах.Есть некоторые устройства, где можно использовать питание переменного или постоянного тока, например, в сотовых телефонах. В этом случае, если батарея не работает в устройстве, диод в качестве выпрямителя помещается внутрь, например, в блоке питания. Диод преобразует переменное напряжение в постоянное.

В чем разница между электрическим полем, напряжением и током?

Я надеюсь, что вы никогда не окажетесь в ситуации, когда вам угрожает обрушенная, но действующая линия электропередачи. Однако, если это когда-либо произойдет, рекомендуемая процедура безопасности — уйти крошечными, перемешанными шагами.Этот тип движения поможет вам избежать шока.

Конечно, лучший вариант — просто избежать такой опасной ситуации, но это также возможность поговорить о важной физике того, почему маленькие шаги лучше всего. Мы поговорим о трех больших идеях: разнице электрических потенциалов (напряжении), электрическом токе и электрическом поле. Да, все они связаны, и я покажу вам, как с водой и светодиодом. Это отличная демонстрация физики, но сначала мне нужно рассмотреть самые простые вещи.

Электрический ток

Пожалуй, лучше всего начать с электрического тока. Возможно, это легче всего понять. Все начинается с электрических зарядов. Практически для каждого электрического взаимодействия в реальной жизни есть только два заряда. Эти два заряда — положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. Хотя эти частицы имеют разные массы, они имеют прямо противоположный заряд. Обе частицы имеют заряд 1,6 x 10 ¹⁹ кулонов (единица заряда).Это значение появляется в других ситуациях, поэтому мы называем это фундаментальным зарядом и представляем его как «e» (сокращение от электронного заряда). Допустим, у вас есть длинный цилиндр из такого металла, как медь (a w). Каждый атом в этом металле имеет 29 протонов и 29 электронов, так что весь провод имеет нулевой общий заряд. Все эти атомы меди в материале взаимодействуют с соседними атомами таким образом, что позволяет одному электрону легко перемещаться от одного атома меди к другому (мы называем их свободными электронами). Когда материал делает это, мы называем его электрическим проводником.Практически все металлы — проводники.

Хорошая модель — думать об этом металлическом проводе как о связке положительных зарядов (протонов), которые застряли на месте, вместе с равным количеством отрицательных зарядов (электронов), которые могут двигаться. Но все равно общий провод нейтральный. Теперь представьте, что все эти свободные электроны движутся в одном направлении — это электрический ток. Это поток электрических зарядов.

Иллюстрация: Rhett Allain

Если бы вы могли наблюдать за одной точкой на проводе и подсчитывать количество движущихся электронов (со скоростью v _e ), которые проходят мимо нее каждую секунду, это был бы электрический ток ( I ).В виде уравнения это выглядит так:

Источник питания постоянного напряжения — обзор

4.8 Модуляция мощности системы дуговой сварки

Из-за динамического поведения дуги ток и напряжение непрерывно изменяются во время дуговой сварки. Мощность дуги регулируется сварочным током и напряжением. Ток положительно влияет на скорость плавления расходуемого электрода, наполнителя и основных материалов [111]. Напряжение влияет на длину дуги и сварочный ток [72].Источник питания постоянного тока обычно используется для GTAW или PAW, тогда как источник питания постоянного напряжения используется для процесса GMAW. В GTAW или PAW ток задается заранее, и любые изменения сварочного тока из-за изменения длины дуги не критичны из-за использования неплавящегося электрода и отдельно используемого присадочного материала. В GMAW предварительно устанавливаются напряжение и скорость подачи проволоки, а сварочный ток регулируется скоростью подачи проволоки [72]. Изменение скорости подачи проволоки изменяет длину дуги и напряжение дуги, которые, в свою очередь, изменяют ток дуги и скорость плавления электрода для поддержания равновесной длины дуги.

Обычная GTAW обычно выполняется с источником питания переменного тока, потому что это предотвращает перегрев электрода, удаляет оксиды во время положительной фазы и глубоко нагревает заготовку во время отрицательной фазы. Источник переменного тока также используется в процессе GTAW с гибридным лазером [86,111]. Использование источника постоянного тока в гибридном GTAW-лазере на CO ₂ приводит к увеличению энергозатрат и увеличению срока службы электродов [56]. Источник питания постоянного тока с положительным электродом используется в обычном процессе GMAW, а также в гибридном лазерном процессе GMAW, который увеличивает скорость осаждения [112].Использование импульсного режима в обоих процессах, гибридных лазерных GTAW или гибридных лазерных GMAW, снижает количество брызг и зоны термического влияния. Ширина импульса и частота импульсов являются дополнительными параметрами, которые необходимо контролировать при использовании импульсного тока [70]. Ширина импульса определяет длительность импульса (пиковый ток), а также влияет на размер металлической капли и ширину дугового конуса [113]. Частота импульсов регулирует общий подвод тепла к зоне сварного шва [34]. Импульсная дуговая сварка в сочетании с импульсным лазером также может использоваться для гибридной лазерной дуговой сварки [51].

Режим переноса металла является важным фактором, на который влияют мощность дуги, вылет электрода и диаметр электрода, расстояние от лазера до дуги, а также состав защитного газа и давление газа [39,106]. При дуговой сварке наблюдаются три различных режима переноса металла: перенос / распыление, гравитационный / глобулярный перенос и перенос при коротком замыкании [12]. Величины и направления электромагнитной силы и силы сопротивления плазмы, действующей на каплю, влияют на поведение капель [114,115].Температурное поле, структура потока жидкости и геометрия сварочной ванны сильно зависят от процесса столкновения капель из-за передачи массы, энергии и количества движения в сварочную ванну [116]. Перенос распылением более предпочтителен при гибридной лазерной дуговой сварке, чтобы обеспечить глубокое проплавление из-за высокого тепловложения на единицу длины при поддержании высокой скорости сварки [98]. Более низкая турбулентность сварочной ванны наблюдается при использовании переноса металла в режиме распыления из-за выброса мелких капель присадки в сварочную ванну [117].Использование импульсного тока улучшает передачу режима распыления металла, поскольку использование пикового тока при небольшой длительности импульса и частоте импульсов влияет на образование металлических капель и часто отрывает их, что снижает вероятность образования более крупных капель, что является характерной особенностью гравитационного переноса [ 70]. Режим глобулярного переноса металла наблюдается для небольшого расстояния между лазером и электродом, в то время как режим распыления достигается при увеличении расстояния разделения [118].

Отношение мощности лазера к мощности дуги также является важным фактором для гибридной лазерной дуговой сварки, который влияет на геометрию сварного шва, металлургические свойства сварного шва, остаточное напряжение и характер деформации [9,59,83].Это уравновешивает влияние лазерного луча и дуги на общую сварочную ванну. Более высокий коэффициент энергии обеспечивает узкий и глубокий сварной шов и увеличивает скорость сварки [83]. Размер сварного шва увеличивается с увеличением мощности дуги до достижения устойчивого состояния. Однако очень высокая мощность дуги приводит к уменьшению глубины проплавления из-за изменения перехода режима металла от распыления к глобулярному переносу.

Диэлектрическая проницаемость и ее влияние на свойства конденсатора — Блог пассивных компонентов

Источник

: блог Capacitor Faks

Типичный конденсатор состоит из двух проводящих пластин и непроводящего диэлектрического материала.Диэлектрический материал разделяет две проводящие металлические электродные пластины. Приложение напряжения к электродным пластинам конденсатора вызывает электрическое поле в непроводящем диэлектрическом материале. Это электрическое поле хранит энергию. Диэлектрическая проницаемость, также известная как относительная диэлектрическая проницаемость, является мерой способности материала накапливать электрическую энергию и является одним из ключевых свойств диэлектрического материала.

Емкость конденсатора с параллельными пластинами является функцией расстояния между пластинами, площади пластины и постоянной диэлектрического материала.Увеличение площади пластины и диэлектрической проницаемости приводит к увеличению емкости, в то время как увеличение расстояния между пластинами приводит к уменьшению емкости. Различные диэлектрические материалы имеют разную диэлектрическую проницаемость.

Влияние диэлектрической проницаемости на характеристики конденсатора

Диэлектрический материал конденсатора поляризуется при приложении напряжения. Этот процесс уменьшает электрическое поле и заставляет отрицательно заряженные электроны немного сдвигаться к положительному выводу.Хотя электроны перемещаются недостаточно далеко, чтобы вызвать протекание тока, этот процесс создает эффект, который имеет решающее значение для работы конденсаторов. Удаление источника напряжения приводит к потере поляризации диэлектрического материала. Однако, если материал имеет слабые молекулярные связи, он может оставаться в поляризованном состоянии даже при удалении источника напряжения.

Конденсатор накапливает энергию в электрическом поле при приложении напряжения. Способность накапливать электрическую энергию варьируется от одного диэлектрического материала к другому.Количество электрической энергии, которую может хранить конденсатор, зависит от величины поляризации, возникающей при приложении напряжения. Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью могут хранить больше энергии по сравнению с материалами с низкой диэлектрической проницаемостью. Электрическая восприимчивость материала — это мера легкости, с которой он поляризуется в ответ на электрическое поле. Хорошие диэлектрические материалы обладают высокой электрической восприимчивостью.

Диэлектрическая проницаемость — один из ключевых параметров, который следует учитывать при выборе диэлектрического материала для конденсатора.Эта постоянная измеряется в фарадах на метр и определяет величину емкости, которую может достичь конденсатор. Диэлектрические материалы с высокими диэлектрическими постоянными используются, когда требуются высокие значения емкости, хотя, как упоминалось выше, другие параметры, которые определяют емкость конденсатора, включают расстояние между электродами и эффективную площадь пластины.

Диэлектрическая проницаемость обычных диэлектрических материалов

Все материалы способны накапливать электрическую энергию при воздействии электрического поля.Емкость хранения варьируется от одного материала к другому. Диэлектрическая проницаемость материалов обычно указывается относительно диэлектрической проницаемости свободного пространства, обычно обозначаемой ϵ ₀. Диэлектрическая проницаемость вакуума обычно известна как абсолютная диэлектрическая проницаемость и относится к величине сопротивления, необходимой для образования электрического поля в вакууме. Абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства составляет приблизительно 8,85418782 × 10 ^-12 м ^-3 кг ^-1 с ⁴ A ².

Диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала относительно диэлектрической проницаемости свободного пространства называется относительной диэлектрической проницаемостью, обычно обозначаемой ϵ _r, или диэлектрической постоянной. Следующее уравнение связывает абсолютную диэлектрическую проницаемость (₀), относительную диэлектрическую проницаемость или диэлектрическую проницаемость (_r) и диэлектрическую проницаемость материала ().

ϵr = ϵϵ0

В таблице ниже показаны диэлектрические постоянные обычно используемых диэлектрических материалов.

Материал	Диэлектрическая проницаемость (относительная диэлектрическая проницаемость)
Воздух	1.0006
Оксид алюминия	8,5
Титанат бария-стронция	500
Керамический фарфор	4,5 — 6,7
Стекло	3,7 — 10
Слюда	5,6 — 8
Бумага	3,85
Полиэстер ПЭТ	3,3
Полипропилен	2,25
Оксид тантала	27.7

Изменения температуры вызывают неоднородности диэлектрической проницаемости диэлектрического материала и оказывают значительное влияние на диэлектрическую проницаемость материала. Например, повышение температуры вызывает уменьшение диэлектрической проницаемости, а диэлектрическая проницаемость материала резко падает, когда температура падает ниже точки замерзания.

При выборе диэлектрического материала для конденсатора также важно учитывать влияние частоты на свойства материала.Диэлектрическая проницаемость материала при воздействии электрического поля зависит от частоты источника напряжения. Когда материал помещается в статическое электрическое поле, диэлектрическая проницаемость, которую он демонстрирует, называется статической диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость материала уменьшается с увеличением частоты источника напряжения.

Первичный привод сегодня находится в направлении миниатюризации схемы. Для производства миниатюрных схем требуются компоненты с меньшей занимаемой площадью.Диэлектрическая проницаемость конденсатора определяет достижимую емкость. Диэлектрические материалы с высокими диэлектрическими постоянными используются, когда требуются конденсаторы с меньшими физическими размерами.

Помимо диэлектрической проницаемости, при выборе диэлектрического материала для конденсатора также важно учитывать диэлектрические потери, и диэлектрическую прочность . Диэлектрическая прочность — это мера напряжения, которое изолятор выдержит до того, как через него протечет ток.Диэлектрические потери относятся к энергии, которую диэлектрический материал рассеивает при приложении переменного напряжения.

Заключение

Диэлектрический материал используется для разделения проводящих пластин конденсатора. Этот изоляционный материал в значительной степени определяет свойства компонента. Диэлектрическая постоянная материала определяет количество энергии, которое конденсатор может хранить при приложении напряжения. Диэлектрический материал становится поляризованным при воздействии электрического поля.Когда возникает поляризация, эффективное электрическое поле уменьшается. Поскольку диэлектрическая проницаемость материала зависит от частоты и температуры, диэлектрическая проницаемость обычно задается при определенных условиях, обычно на низких частотах. Кроме того, диэлектрическая проницаемость материала обычно указывается относительно диэлектрической проницаемости свободного пространства.