Направление электрического тока. За направление тока принимают направление движения

Направление электрического тока

Всем известно, что суть электрического тока заключается в упорядоченном движении заряженных частиц в каких-либо проводниках. Чаще всего для этих целей используются различные металлы, где в качестве тока выступают отрицательно заряженные частицы – электроны. В кислотных, щелочных и солевых растворах электрический ток возникает в результате движения положительных и отрицательных ионов.

С самого начала, когда это явление было открыто, у многих ученых возникал вопрос: какие движущиеся заряженные частицы образуют направление тока? Чтобы до конца разобраться в данной проблеме, следует остановиться на источниках тока, поскольку именно они инициируют движение заряженных частиц в проводниках.

Откуда берется электрический ток

Движение заряженных частиц появляется в результате действия, производимого аккумуляторами, батареями, генераторами и другими устройствами, преобразующими различные виды энергии в электрическую. Закон сохранения энергии наглядно действует в процессе таких преобразований.

Сами частицы начинают двигаться, когда цепь становится замкнутой, а в проводнике возникает электрическое поле, оказывающее определенное воздействие на свободные электроны. В связи с этим было установлено, что все источники тока обладают установленной электродвижущей силой или ЭДС.

Электроны не появляются из источников тока, они присутствуют в самих проводниках и, являясь свободными, начинают двигаться под действием созданного поля. В качестве наиболее яркого сравнительного примера выступает насос перекачивающий жидкость в трубах, замкнутых между собой. В зависимости от диаметра труб и количества разветвлений, жидкость может двигаться по ним с большей или меньшей скоростью. Эти свойства в полной мере характеризуют течение тока, которое изменяется в соответствии с сечением проводника.

На практике это выглядит следующим образом. Провод, сечением 1,5 мм2, рассчитан на максимальную силу тока в 16 А. К нему может быть подключена нагрузка не более 3-3,5 кВт. При подключении более мощного оборудования проводник не выдержит и выйдет из строя.

Разобравшись с источниками тока, необходимо определить его направление, которое приняли ученые после проведенных исследований в этой области. Условно было принято направление движения положительных зарядов, поскольку ток от положительного полюса движется к отрицательному полюсу источника тока.

Движение частиц и направление тока

Прежде всего, следует отметить, что не все движущиеся заряженные частицы вызывают образование тока. Например, под действием тепла заряды будут двигаться, но это движение – хаотическое и ненаправленное. Если же к тепловому движению добавляется действие электрическое поле, то под его влиянием хаотические перемещения частиц примут определенную направленность.

Заряженные частицы, образующие ток, движутся в направлении, в зависимости от знака их заряда. То есть, движение положительно заряженных частиц происходит от «+» к «-», а отрицательно заряженных, наоборот, от «-» к «+». Встречное движение характерно для газовой и электролитической среды, поэтому часто возникает вопрос, каким будет настоящее направление тока?

По общему соглашению было принято решение считать направление движения частиц с положительными зарядами, за направление электрического тока. В этом случае возникает некоторое противоречие, затрагивающее металлические проводники, в которых перенос зарядов осуществляется свободными электронами. Хорошо известно, что они двигаются от минуса к плюсу. Тем не менее, приходится считать направление тока в этом случае, противоположным движению свободных электронов. Однако, несмотря на некоторые неудобства, данное правило четко определяет, в каком направлении движется электрический ток.

electric-220.ru

За направление тока условились принимать направление движения положительных зарядов

Величина, равная силе тока протекающего через единицу площади поперечного сечения, называется плотностью тока :

(2)

Выразим i и j через среднюю скорость упорядоченного дви-

жения зарядов одного знака (скорость дрейфа). Пусть величина каждого заряда – q0, а их концентрация (число частиц в единице объёма) в проводнике – n. Tогда за время dt через участок с поперечным сечением проводника dS пройдет заряд:

. (3)

Интегрируя по времени, получим для тока через площадку dS:

. (4)

Это даёт для плотности тока на участке с поперечным сечением dS:

или в векторной форме . (5)

Сумма произведений j∙dS по всем участкам поверхности S даёт величину силы тока через произвольную поверхность:

. (6)

Если в цепи на частицы действуют только силы электрического поля, то положительные носители заряда будут перемещаться от точек с бóльшим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Соответственно, отрицательные – от точек с меньшим к точкам с бóльшим потенциалом. Это приводит к выравниванию потенциала вдоль цепи и исчезновению электрического поля. Для существования тока в течение длительного промежутка времени необходимо наличие в цепи устройства способного создавать и поддерживать на отдельных участках цепи разность потенциалов. Такое устройство должно перемещать (т.е. возвращать) положительные заряды из точек с меньшим в точки с бóльшим потенциалом, а отрицательных из точек с бóльшим потенциалом в точки с меньшим. Это может быть сделано только за счет работы сил не электрического происхождения. Такие силы называются сторонними , а устройства способные выполнять такую работу – источниками тока . Природа этих сил может быть самой различной: в гальванических элементах это энергия химических реакций, в фотоэлементах – энергия солнечного света, в генераторах – механическая энергия.

Работа по перемещению единичного, положительного заряда, совершаемая сторонними силами, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока:

. (7)

Эта физическая величина является энергетической характеристикой источника тока. Работа по перемещению заряда q на неоднородном участке (участке, содержащем источник тока, рис.4) в общем случае будет складываться из работы сил электростатического поля и работы сторонних сил:

А1,2 = q(φ1 – φ2) + qξ . (8)

Величина

(9)

называется напряжением на участке 1 – 2. Если ЭДС на участке цепи отсутствует, то

U1.2 = (φ1 – φ2). (10)

studlib.info

Как направлен ток в проводнике?

· За направление тока принимают направление упорядоченного движения (+) заряженных частиц.

· Направление тока совпадает с направлением напряжённости электрического поля, вызывающего этот ток.

Направление тока в металлическом проводнике противоположно направлению движения электронов.

Сила тока ( .

Величина, численно равная отношению заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени называется силой тока.

Единицы измерения силы тока в СИ: ампер

От чего зависит сила тока?

– концентрация с.н.з.

– скорость упорядоченного движения с.н.з.

– площадь поперечного сечения проводника

- заряд одной частицы

Электрическое сопротивление ( ) –

мера противодействия проводника установившемуся в нём электрическому току.

Электрическое сопротивление проводника– величина, характеризующая его свойство оказывать электрическому току противодействие, обусловленное внутренним строением проводника и хаотическим движением с.н.з. в нём, численно равная отношению напряжения на проводнике к силе тока в нём.

Единицы измерения сопротивления в СИ: ом

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц

10. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

СИЛА ТОКА.УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ТОКА.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

О наличии электрического тока можно судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.

Нагрев проводника с током ( например, электронагревательные приборы).
Изменение химического состава проводника (например, выделение меди из раствора при электролизе).
Силовое воздействие на проводник с током и намагниченные тела ( например, отталкивание или притяжение двух проводников, по которым протекает электрический ток)

Силой тока ,I, называется физическая величина, численно равная заряду, перенесенному в единицу времени через поперечное сечение проводника.

I = ; (10.1)

q- заряд, перенесенный через поперечное сечение проводника за время t

I – скалярная величина, I > 0, если направление его совпадает с условно выбранным направлением, и I

[I] : 1A = 1;

Рассмотрим проводник с постоянным поперечным сечением S. Пусть заряд каждой частицы равен qо. В объеме Sl содержится nSl частиц, где n – концентрация частиц. Их общий заряд q = qо n Sl, тогда

I= ; (10.2)

Если проводник имеет площадь поперечного сечения 1мм2, по нему проходит ток силой в 1А, а ток представляет собой движение электронов с е = 1,6*10-19Кл, и n = 8,5 1028м –3 (число атомов или число валентных электронов в ед. объема), то

vср.=;

Средняя скорость движения электронов при наличии электрического тока в проводнике значительно меньше средней скорости теплового движения частиц, что обусловлено взаимодействием электронов с ионами проводника.

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо:

наличие свободных заряженных частиц;

сила, действующая на заряженные частицы в определенном направлении.

Обычно электрическое поле внутри проводника служит причиной упорядоченного движения заряженных частиц, на которые действует сила

Если внутри проводника существует электрическое поле, то между концами проводника существует разность потенциалов. Когда разность потенциалов не изменяется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток. Вдоль проводника происходит понижение потенциала от максимального его значения до минимального.

Для каждого проводника (твердого, жидкого, газообразного) существует определенная зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника. Эту зависимость называют вольтамперной характеристикой проводника. Впервые для металлов ее установил немецкий ученый Георг Ом.

Рис.10.1. Электрическая схема для определения сопротивления проводника

R – сопротивление проводника , I - сила постоянного электрического тока , U – напряжение в случае идеального амперметра

Закон Ома для участка цепи, содержащего сопротивление, имеет вид

I = ; (10.3)

Сопротивление R зависит от материала проводника и его геометрических размеров. Если площадь поперечного сечения проводника S = const, а длина его равна l. то

R = ; (10.4)

[ R ] : = 1 0м

- удельное сопротивление проводника, т.е. сопротивление проводника, имеющего форму куба с ребром в 1 м, если ток направлен по нормали к его грани.

[] : 1 Ом м;

- табличная величина. Для данного вещества она зависит от его состояния (температуры, давления).

Рис.10.2. Электрическая схема при последовательном соединении проводников

I1 = I2 = I;

U = U1 + U2 ; Умножая на , получаем

R = R1 + R2 ; (10.5)

Так как I1 = I2 , то ; или ; (10.6)

Для последовательного соединения n проводников можно получить формулу:

R = R1 + R2 + …..Rn

Если последовательно соединены n одинаковых проводников, то R= nR1

Параллельное соединение проводников

Рис. 10.3. Электрическая схема параллельного соединения проводников

U1 = U2 = U

I = I1 + I2

но I = ; ; ;

тогда ; и ;

или ; (10.7)

так как U1 = U2, то I1R1 = I2R2

или ; (10.8)

Для случая n проводников, соединенных параллельно справедлива формула

;

В случае n одинаковых проводников, соединенных параллельно общее сопротивление участка цепи равно

так как

Измерение силы тока и напряжения проводят с помощью приборов использующих один и тот же принцип: отклонение стрелки прибора при пропускании через него электрического тока. Различие состоит во включении приборов в цепь. Амперметр включают последовательно сопротивлению, ток через которое хотят определить

Рис. 10.4. Электрическая схема включения амперметра

Так как амперметр имеет свое сопротивление RA, то ток I зависит от (RA + R). Измерения силы тока тем точнее , чем точнее выполнено неравенство

Если амперметр не может пропустить через себя ток, который нужно измерить, то можно расширить его предел измерения за счет введения шунта - малого сопротивления Rш, включенного параллельно амперметру.

Rш – сопротивление шунта, проводника, сопротивление которого измерено с высокой точностью. При RA = Rш предел измерения силы тока удваивается. Если I1 – предел измерения амперметра, а I – сила тока, которую надо измерить, то из (10.8) следует, что

; или Rш = ; (10.10)

При включении вольтметра он подсоединяется параллельно проводнику.

Рис. 10.5. Электрическая схема включения вольтметра

Так как вольтметр имеет свое собственное сопротивление RВ , то при его подключении к R сопротивление участка цепи понизится и станет равным R1 =, т.е. при I = const показания вольтметра уменьшатся, т.к. U1 = IR1ошибка измерения тем меньше, чем точнее выполняется неравенство

RB>>R (10,11)

При измерениях напряжений, больших допустимого предела измерения вольтметра, используют добавочные сопротивления RД, включенные последовательно вольтметру и уменьшающие силу тока через вольтметр.

U = UВ + UД ,

где UВ – предел измеряемого вольтметром напряжения, UД –падение напряжения на добавочном сопротивлении RД Так как вольтметр и добавочное сопротивление включены последовательно, то

;

т.е. RД = ; (10.12)

Реостат – устройство, позволяющее плавно изменять силу тока в цепи за счет плавного изменения сопротивления от 0 до R.

Рис. 10.6.Схематическое изображение реостата. За счет изменения положения подвижного контакта изменяется сопротивление реостата.

Потенциометр - устройство, позволяющее плавно изменять разность потенциалов (напряжение) от нуля до наибольшего значения.

Рис. 10.7. Схема включения потенциометра. По потенциометру протекает постоянный по величине ток, а изменение положения подвижного контакта приводит к изменению разности потенциалов и

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ. ПРАВИЛА КИРХГОФА.

Электрическое поле потенциально. Работа этого поля по перемещению заряженной частицы вдоль замкнутой электрической цепи ровна нулю. Однако при прохождении тока через проводник выделяется тепло, и часть энергии теряется. Для поддержания тока в цепи необходимо существование других (сторонних) сил, работа которых компенсировала бы потерю энергии и поддерживала постоянной разность потенциалов на полюсах источника тока.

Рис. 10.8. Перемещение заряда под действием сил электрического поля и сторонних сил

FЭ – сила электрического поля , Fст - сторонняя сила

Работа перемещения заряда по замкнутой цепи Ац равна

Ац = А-+ + А+- + Аст

где Аст – работа сторонних сил

но работа сил электрического поля на замкнутой траектории А-+ + А+- = 0,

т.е. Ац = Аст

Действие сторонних сил характеризуется физической величиной; называемой электродвижущей силой (ЭДС)

= ; (10.13)

[]: = 1В;

ЭДС численно равна работе при перемещении единичного, положительного заряда.

На рисунке 10.9 изображена схема механического устройства, являющегося аналогом источника электрического тока. Шарик поднимается вверх за счет сторонней силы, создаваемой подъемным механизмом. Эта сила необходима для преодоления потенциальной силы, которой является сила тяжести, действующая на шарик

Рис.10.9. Подъемный механизм

Механические и электрические аналоги:

механические электрические

Потенциальное поле силы тяжести

Сила трения

Движение шара под действием сил тяжести

Подъемный механизм, действующий на шар с силой, направленной против силы тяжести.

Электрическое поле кулоновских сил

Электрическое сопротивление

Движение свободных зарядов в проводнике под действием электрического поля.

Источник тока, в котором сторонние силы направлены против кулоновских.

Рассмотрим цепь, состоящую из источника тока, реостата и батареи.

Рис.10.10. Электрическая цепь, содержащая источник электрического тока

На участке ВС внешней цепи АВС действуют не только электростатические силы, но и сторонние, т.е. на участке ВС работа по перемещению зарядов равна А = АЭ + Аст. Напряжение на участке ВС

U =

но , т.е.

U = ;

Если = 0, то U = (участок АВ цепи АВС)

Закон Ома для участка цепи, имеющего сторонние силы, записывается в виде

I = ; (10.14)

r - сопротивление участка цепи ВС (внутреннее сопротивление источника)

Рассмотрим замкнутую цепь, содержащую источник постоянного тока с ЭДС равной и внутреннее сопротивление r.

Рис.10.11 Замкнутая электрическая цепь, содержащая источник тока

Для участка АВ R , (1)

Для участка ВА ,(2)

Сложив (1) и (2) получаем

или

; (10,15) - закон Ома для полной цепи

Если R >> r, то = IR , то есть ЭДС источника можно измерить, подсоединив к его клеммам вольтметр, при условии, что RB >> r.

Для расчета цепей, содержащих разветвленные участки и участки с ЭДС, используют правила Кирхгофа.

Первое правило Кирхгофа:

Алгебраическая сумма токов для каждого узла разветвленной цепи равна нулю

Рис. 10.12.Узел (точка соединения нескольких участков цепи), в который входят токи I1 и I2 а выходят из него I3 , I4 , I5 .

В рассматриваемом случае I1 и I2 > 0, а I3, I4, I5

Рис. 10.13. Разветвленная электрическая цепь

Рассмотрим электрическую схему, состоящую из нескольких замкнутых контуров. К каждому из них можно применить закон Ома в виде

= IR

где H и K – потенциалы начала и конца участка цепи, R - сумма всех сопротивлений на участке цепи.

Для каждого из замкнутых участков цепи выбирается направление обхода контура. Если создает ток, совпадающий по направлению с выбранным направлением обхода контура, то ЭДС считается положительной. Если направление тока I.. совпадают с выбранным направлением обхода, то IR>0.

Рассмотрим 1 –2 – 3 – 1

Для участка 1, 2 1 - 2 + 1 = I1R1 + I1r1 , (1)

Для участка 2, 3 2 - 3 - 2 = I2R2 + I2r2 , (2)

Для участка 3, 1 3 - 1 + 3 = I3R3 + I3r3 , (3)

Сложим (1), (2), (3)

1 + 2 + 3 = I1R1 + I2R2 + I3R3 + I1r1 + I2r2 + I3r3 , (4)

но I1 = I2

1 – 2 + 3 = I1 (R1 + R2 + r1 + r2) + I3(R3 + r3), (5)

Рассмотрим контур 1 – 4 – 3 – 1

1 - 3 - 4 = I4(R4 + r4) (6)

3 - 1 + 3 = I3(R3 + r3) (7)

складывая (6) и (7) получаем

3 - 4 = I4(R4 + r3) + I3(R3 + r3) (8)

^ Алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре равна алгебраической сумме произведений сил токов и сопротивлений каждого из участков этого контура.

Добавим к (5) и (8) условие равенства нулю суммы токов в узловой точке (1-ое правило Кирхгофа) и получаем систему 3-х уравнений для определения I1, I2, I3 по известным 1, 2, 3, 4, R1, R2, R3, R4, r1, r2, r3, r4 :

E1 – E2 – E3 = I1(R1 + R2 + r1 + r2) + I3(R3 + r3) (9)

3 – 4 = I4(R4 + r3) + I3(R3 + r3) (10)

I3 - I1 - I4 = 0 (11)

Если в результате решения получены отрицательные значения для силы тока на каком- -либо участке, то это означает, что ток на этом участке идет в направлении, противоположном выбранному направлению обхода.

Работа сил электрического поля по перемещению заряда q равна

A = qU, но q = It, и U = IR

т.е. A = I2Rt = , (10.16)

Мощность Р электрического тока равна

P = = IU = I2R =, (10.17)

[A] : 1Дж = 1 Кл 1В

[P] : 1Вт = 1 = 1А 1В

При протекании электрического тока, если не проходит какая-либо химическая реакция, то энергия электрического поля превращается во внутреннюю, т.е. проводник нагревается. Работа электрического поля переходит в тепло:

Q = A = I2Rt = t (10.18)

На основе этого закона можно понять, как передавать электроэнергию по линиям передач. Если Р – передаваемая мощность, а Р1 – ее потери, причем допускается иметь, например, что Р1 = 0,08Р. Из (10.18) следует, что Р1 = I2R, причем

I = ,

где U - напряжение между проводами в линии электропередачи (ЛЭП)

P1 = , но R =

Обычно l и заданы, а S ограничено механической прочностью и стоимостью ЛЭП. Для снижения потерь в ЛЭП используют повышение напряжения в них ,например, в ЛЭП–500 напряжение между проводами линии электропередачи равно U = 500кВ. Дальнейшее увеличение U приводит к возрастанию потерь передаваемой мощности за счет электрического разряда между проводами и Землей

velikol.ru

Электричество почему за направление движения тока принято движение положит. заряженных частиц?

Так исторически сложилось

Помоему в реалиях всё наоборот, но после того как учёные выяснили эту тему менять ничего не стали, чтобы путаницы небыло!

potomu 4to v defintzii toka eto skazono....a mozhna vzeti i otritzatzelno->dokazyvaiet 4to tok v druguiu storonu ot togo 4to my vzeali

Вообще-то за направление тока принято движение просто заряженных частиц - это могут быть отриц. (электроны) или положит. (ионы) . Векторы выходят с положит. зарядов потому, что так просто приняли. на самом деле ток может начинаться и на минусе (в случае с электронами) , но обозначается все равно с плюса. Это для удобства, что ли. Хотя, какое тут удобство, еще больше все запутали!

Это принято условно, в связи с тем, что когда изучался эл. ток, учёные ошибочно сначала считали, что эл. ток - это направленное движение положительно заряженных частиц. На этой основе проводились и последующие исследования. Но потом оказалось, что ток это направленное движение электронов (Отрицательный заряд) и чтоб не вносить путаницы в итоги провежённых уже экспериментов решили оставить всё как есть. Тем более что если отрицательный заряд (электроны )движуться в одну сторону, то положительный заряд ("дырки") движется в другую сторону. А вот что такое "дырки" - это уже другой вопрос!

Да на самом деле если все поменять местами ничего не измениться!! Просто так решили!! А дырки - это отсутствие электрона, вакансия... соответственно имеющаяя положительный заряд!!! Можно ток считать движением электронов, а можно и движением дырок... что соответсвтенно меняет все знаки, направления и т.д. на оборот... так что это вопрос удобства!!! В физике вообще есть две постоянные проблемы: это вопрос знака + или минус ставить! И второй вопрос: проблема двойки... должна быть здесь двойка или нет непонятно!!! =))

Между прочим, в американской литературе (начиная со школьных учебников) эа направление тока принято именно направление движения отрицательных зарядов - они вовремя сумели сменить парадигму.

Это Роберт Симмер (1707–1763) всех запутал. Он обратил внимание на необычное поведение своих шерстяных и шёлковых чулок. Снятые вечером чёрные шерстяные и белые шёлковые чулки эффектно раздувались, принимая форму ноги, если только лежали порознь. При размещении одного чулка внутри другого они принимали обычный вид. Поднесённые друг к другу, все четыре чулка причудливо переплетались, подобно змеям. Основываясь на своих наблюдениях, Симмер стал рьяным сторонником теории двух видов зарядов, за что был прозван современниками “раздутым философом”. Теплое “шерстяное” электричество стали называть положительным, а холодное “шелковое” электричество отрицательным. Как на градуснике. Тогда люди считали, что теплота переносится особой жидкостью, чем больше теплорода в веществе тем, оно теплее. Разумеется, получалось что и в шерсти электрической жидкости больше, хотя она по современным понятиям заряжено положительно и потеряла электроны. Как говорится, не был бы Симмер таким модником, носил бы как все нормальные мужики той поры, одну пару чулок, то может и не возникло сегодняшней путаницы с направлением движения зарядов и знаком тока.

touch.otvet.mail.ru

Направление электрического тока. За направление тока принимают направление движения