51 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что называется напряжением и электрическим током

Что такое напряжение, ток и сопротивление: как они используются на практике

В электротехнике для описания процессов, протекающих внутри электрических цепей, используются термины «ток», «напряжение» и «сопротивление». Каждый из них имеет собственное назначение со специфическими характеристиками.

Слово используется для характеристики движения заряженных частиц (электроны, дырки, катионы и анионы) через определенную среду вещества. Направление и количество носителей заряда определяет тип и силу тока.

Основные характеристики тока, влияющие на его практическое применение

Обязательным требованием для протекания зарядов является наличие цепи или, другим словами, замкнутого контура, создающего условия для их передвижения. Если внутри движущихся частиц образуется разрыв, то их направленное перемещение сразу прекращается.

На этом принципе работают все выключатели и защиты, используемые в электрике. Они создают разделение подвижными контактами токопроводящих частей между собой и этим действием прерывают протекание электрического тока, отключая прибор.

В энергетике наибольшее распространение получил метод создания электрического тока за счет передвижения электронов внутри металлов, изготовленных в виде проводов, шин или других токопроводящих частей.

Кроме этого способа также используется создание тока внутри:

1. газов и жидкостей-электролитов за счет движения электронов или катионов и анионов — ионов с положительными и отрицательными знаками заряда;

2. среды из вакуума, воздуха и газов при условии передвижения электронов, вызванного явлением термоэлектронной эмиссии;

3. полупроводниковых материалов вследствие перемещения электронов и дырок.

Электрический ток может возникнуть при:

приложении к заряженным частицам внешней разности электрических потенциалов;

нагреве проводников, не являющихся в данный момент сверхпроводниками;

протекании химических реакций, связанных с выделением новых веществ;

воздействии приложенного на проводник магнитного поля.

Форма сигнала электрического тока может быть:

1. постоянной в виде прямой линии на временном графике;

2. переменной синусоидальной гармоникой, хорошо описываемой основными тригонометрическими соотношениями;

3. меандром, грубо напоминающим синусоиду, но с резкими, ярко выраженными углами, которые в отдельных случаях могут быть хорошо сглажены;

4. пульсирующей, когда направление остается одним и тем же без изменения, а амплитуда колеблется периодически от нулевого до максимального значения по вполне определенному закону.

Электрический ток может совершать полезную для человека работу, когда он:

преобразуется в световое излучение;

создает нагрев тепловых элементов;

совершает механическую работу за счет притяжения или отталкивания подвижных якорей либо вращения роторов с приводами, закрепленных в подшипниках;

формирует электромагнитное излучение и в некоторых других случаях.

При прохождении электрического тока по проводам может создаваться вред, вызываемый:

излишним нагревом токонесущих цепей и контактов;

образованием вихревых токов в магнитопроводах электрических машин;

излучением электроэнергии электромагнитными волнами в окружающую среду и некоторыми подобными явлениями.

Конструкторы электрических приборов и разработчики различных схем учитывают перечисленные возможности электрического тока в своих устройствах. Например, вредное воздействие вихревых токов в трансформаторах, двигателях и генераторах уменьшается за счет шихтовки сердечников, используемых для пропускания магнитных потоков. В то же время вихревой ток успешно применяют для разогрева среды внутри электрических печей и микроволновок, работающих на индукционном принципе.

Переменный электрический ток с синусоидальной формой сигнала может иметь разную частоту колебаний в единицу времени — секунду. Промышленная частота электроустановок в разных странах стандартизирована числами 50 или 60 герц. Для других целей электротехники и радиодела применяются сигналы:

низкочастотные, имеющие меньшие значения;

высокочастотные, значительно превышающие спектр промышленных устройств.

Обычно принято, что электрический ток создается движением заряженных частиц внутри определенной макроскопической среды и его называют током проводимости . Однако, может возникнуть и другой вид тока, называемый конвекционным, когда передвигаются макроскопические заряженные тела, например, дождевые капли.

Как образуется электрический ток в металлах

Перемещение электронов под действием постоянно приложенной к ним силы вполне можно сравнить со снижением парашютиста с раскрытым куполом. В обоих случаях происходит равноускоренное движение.

Парашютист движется за счет притяжения к земле силой тяжести, которой противостоит сила сопротивления воздуха. На электроны воздействует приложенная к ним сила электрического поля, а мешают его движению непрерывные соударения с другими частицами — ионами кристаллических решеток, за счет чего гасится часть воздействия приложенной силы.

В обоих случаях средняя скорость парашютиста и перемещения электронов достигает постоянной величины.

При этом создается довольно уникальная ситуация, когда скорость:

собственного передвижения одного электрона определяется величиной порядка 0,1 миллиметра в секунду;

протекание электрического тока соответствует значительно большей величине — скорости распространения световых волн: около 300 тысяч километров в секунду.

Таким образом, скорость протекания электрического тока создается в том месте, где к электронам приложено напряжение, и в результате оно начинает перемещаться со скоростью света внутри токопроводящей среды.

При движении электронов внутри кристаллической решетки металла возникает еще одна интересная закономерность: его сталкивание происходит примерно с каждым десятым встречным ионом. То есть, около 90% столкновений с ионами он успешно избегает.

Объяснить это явление помогают законы не только фундаментальной классической физики, как принято понимать большинством людей, а действующие дополнительные закономерности, описанные теорией квантовой механики.

Если кратко выразить их действие, то можно представить, что передвижению электронов внутри металлов мешают тяжелые «качающиеся» большие ионы, которые оказывают дополнительное сопротивление.

Особенно этот эффект хорошо заметен при нагреве металлов, когда «качания» тяжелых ионов увеличиваются и снижают электрическую проводимость кристаллических решеток проводников.

Поэтому при нагреве металлов у них всегда повышается электрическое сопротивление, а при охлаждении — увеличивается проводимость. Когда температура металла снижается до критических значений, приближенных к величине абсолютного нуля, во многих из них возникает явление сверхпроводимости.

Электрический ток, в зависимости от своей величины, способен совершать различную работу. Для количественной оценки его возможностей принята величина, называемая силой тока. Ее размерностью в международной системе измерений является 1 ампер. Для обозначения силы тока в технической литературе принят индекс «I».

Этот термин используется как характеристика физической величины, выражающей затраченную работу по переносу пробного единичного электрического заряда из одной точки в другую без изменения характеров размещения остальных зарядов на действующих источниках полей.

Поскольку начальная и конечная точки обладают различными потенциалами энергии, то работа на перемещение заряда, или напряжение, совпадает с соотношением разности этих потенциалов.

В зависимости от протекающих токов используются различные термины и способы вычисления напряжения. Оно может быть:

1. постоянным — в цепях электростатики и постоянного тока;

2. переменным — в схемах с переменными и синусоидальными токами.

Для второго случая используются такие дополнительные характеристики и разновидности напряжения, как:

амплитуда — наибольшее отклонение от нулевого положения оси абсцисс;

мгновенная величина, которая выражается в конкретный момент времени;

действующее, эффективное или, называемое по-другому, среднеквадратичное значение, определяемое по совершаемой активной работе одного полупериода;

средневыпрямленное, рассчитываемое по модулю выпрямленного значения одного периода гармоники.

Для количественной оценки напряжения введена международная единица 1 вольт, а ее обозначением стал символ «U».

При транспортировке электрической энергии по проводам воздушных линий конструкция опор и их габариты зависят от значения используемого напряжения. Его величину между проводами фаз называют линейной, а относительно каждого провода и землей — фазной.

Это правило применяется ко всем видам воздушных линий.

В бытовых электрических сетях нашей страны стандартом принято трехфазное напряжение 380/220 вольт.

Термин применяется для характеристики свойств вещества ослаблять прохождение через него электрического тока. При этом могут выбираться разные среды, изменяться температура вещества или его габариты.

У цепей постоянного тока сопротивление совершает активную работу, поэтому его называют активным. Оно для любого участка прямо пропорционально приложенному напряжению и обратно пропорционально — проходящему току.

В цепях переменного тока введены понятия:

Электрический импеданс по-другому называют комплексным или полным сопротивлением с составляющими частями:

Реактивное сопротивление, в свою очередь, может быть:

Соотношения между составляющими импеданса описываются треугольником сопротивлений .

При проведении расчетов электродинамики волновое сопротивление ЛЭП определяется соотношением напряжения от падающей волны к величине тока, проходящей по линии волны.

Величиной сопротивления принята международная единица измерения в 1 Ом.

Взаимосвязь тока, напряжения, сопротивления

Классическим примеров выражения соотношений между этими характеристиками является сравнение с гидравлической схемой, в которой сила движения потока жизни (аналог — величина тока) зависит от значения приложенной к поршню силы (созданного напряжения) и характера магистралей потока, выполненных сужениями (сопротивлением).

Математические закономерности, описывающие взаимосвязь электрического сопротивления, тока и напряжения впервые опубликовал и запатентовал Георг Ом. Он вывел законы для полного контура электрической цепи и его участка. Подробнее смотрите здесь: Применение закона Ома на практике

Для замера основных электрических величин электроэнергии применяют амперметры, вольтметры и омметры.

Амперметр замеряет ток, проходящий по цепи. Поскольку на всем замкнутом участке он не изменяется, то амперметр врезают в любом месте между источником напряжения и потребителем, создавая прохождение зарядов через измерительную головку прибора.

Вольтметром измеряют напряжение на клеммах подключенного к источнику тока потребителя.

Замеры сопротивления омметром могут выполняться только на обесточенном потребителе. Это объясняется тем, что омметр выдает калиброванное напряжение и замеряет ток, проходящий по измерительной головке, который переводится в Омы за счет деления напряжения на полученное значение тока.

Любое подключение маломощного постороннего напряжения при выполнении измерения создаст дополнительные токи и исказит результат. Учитывая, что внутренние цепи омметра изготавливаются маломощными, то при ошибочных замерах сопротивления при поданном постороннем напряжении довольно часто прибор выходит из строя за счет того, что у него выгорает внутренняя схема.

Знание основных характеристик тока, напряжения, сопротивления и зависимостей между ними позволяет электрикам успешно выполнять свою работу и надежно эксплуатировать электрические системы, а допускаемые ошибки очень часто заканчиваются несчастными случаями и травмами.

Что такое электрический ток

Что такое электрический ток? В учебнике физики есть определение:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля. Частицами могут быть: электроны, протоны, ионы, дырки.

В академических учебниках определение описывается так:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это скорость изменения электрического заряда во времени.

    • Заряд электронов отрицателен.
    • протоны — частицы с положительным зарядом;
  • нейтроны — с нейтральным зарядом.

СИЛА ТОКА – это количество заряженных частиц (электроны, протоны, ионы, дырки), протекающих через поперечное сечение проводника.

Все физические вещества, в том числе металлы состоят из молекул, состоящих из атомов, которые в свою очередь состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. Во время химических реакций электроны переходят от одних атомов к другим, поэтому, атомы одного вещества испытывают недостаток в электронах, а атомы другого вещества имеют их избыток. Это означает, что вещества имеют разноименные заряды. В случае их контакта, электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое. Именно это перемещение электронов и есть ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. Ток, который будет течь, до тех пор, пока заряды этих двух веществ не уравняются. Взамен ушедшего электрона приходит другой. Откуда? От соседнего атома, к нему — от его соседа, так до крайнего, к крайнему — от отрицательного полюса источника тока (например — батарейки). С другого конца проводника электроны уходят на положительный полюс источника тока. Когда все электроны на отрицательном полюсе закончатся, ток прекратится (батарея «села»).

НАПРЯЖЕНИЕ — это характеристика электрического поля и представляет собой разность потенциалов двух точек внутри электрического поля.

Вроде как то не понятно. Проводник – это в простейшем случае — проволока, сделанная из металла (чаще применяется медь и алюминий). Масса электрона равна 9,10938215(45)×10 -31 кг. Если электрон имеет массу, то это означает, что он материален. Но проводник сделан из металла, а металл то, твёрдый, как по нему текут какие то, электроны?

Число электронов в веществе, равное числу протонов лишь обеспечивает его нейтральность, а сам химический элемент определяется количеством протонов и нейтронов исходя из периодического закона Менделеева. Если чисто теоретически отнять от массы любого химического элемента все его электроны, он практически не приблизится к массе ближайшего химического элемента. Слишком большая разница между массами электрона и ядра (масса только 1-го протона примерно в 1836 больше массы электрона). А уменьшение или увеличение числа электронов должно приводить лишь к изменению общего заряда атома. Число электронов у отдельно взятого атома всегда переменно. Они, то покидают его, вследствие теплового движения, то возвращаются обратно, потеряв энергию.

Если электроны движутся направленно, значит, они «покидают» свой атом, а не будет теряться атомарная масса и как следствие, меняться и химический состав проводника? Нет. Химический элемент определяется не атомарной массой, а количеством ПРОТОНОВ в ядре атома, и ничем другим. При этом наличие или отсутствие электронов или нейтронов у атома роли не играет. Добавим — убавим электроны — получим ион, добавим — убавим нейтроны — получим изотоп. При этом химический элемент останется тем же.

С протонами другая история: один протон — это водород, два протона — это гелий, три протона — литий и.т.д (см. таблицу Менделеева). Поэтому, сколько ни пропускай ток через проводник, химический состав его не изменится.

Читать еще:  Расточка тормозных дисков

Другое дело электролиты. Здесь как раз ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕНЯЕТСЯ. Из раствора под действием тока выделяются элементы электролита. Когда все выделятся, ток прекратится. Всё потому, что носители заряда в электролитах — ионы.

Бывают химические элементы без электронов:

1. Атомарный космический водород.

2. Газы в верхних слоях атмосферы Земли и других планет с атмосферой.

2. Все вещества в состоянии плазмы.

3. В ускорителях, коллайдерах.

Под действием электрического тока химические вещества (проводники) могут «рассыпаться». Например, плавкий предохранитель. Движущиеся электроны на своем пути расталкивают атомы, если ток сильный — кристаллическая решетка проводника разрушается и проводник расплавляется.

Рассмотрим работу электровакуумных приборов.

Напомню, что во время действия электрического тока в обычном проводнике, электрон, покидая своё место, оставляет там «дырку», которая затем заполняется электроном от другого атома, где в свою очередь так же образуется дырка, в последствии заполняемая другим электроном. Весь процесс движения электронов происходит в одну сторону, а движение «дыр», в противоположную. То есть дырка – явление временное, она заполняется всё равно. Заполнение необходимо для сохранения равновесия заряда в атоме.

А теперь рассмотрим работу электровакуумного прибора. Для примера возьмём простейший диод – кенотрон. Электроны в диоде во время действия электрического тока испускаются катодом в направлении анода. Катод покрыт специальными окислами металлов, которые облегчают выход электронов из катода в вакуум (малая работа выхода). Никакого запаса электронов в этой тоненькой пленке нет. Для обеспечения выхода электронов катод сильно разогревают нитью накала. Со временем раскаленная пленка испаряется, оседает на стенках колбы, и эмиссионная способность катода уменьшается. И такой электронно-вакуумный прибор попросту выкидывают. А если прибор дорогой, его восстанавливают. Для его восстановления колбу распаивают, заменяют катод на новый, после чего колбу обратно запаивают.

Электроны в проводнике двигаются «перенося на себе» электрический ток, а катод пополняется электронами от проводника, подключенного к катоду. На замену электронам, покинувшим катод, приходят электроны от источника тока.

Понятие «скорость движения электрического тока» не существует. Со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), по проводнику распространяется электрическое поле, под действием которого все электроны начинают движение с малой скоростью, которая приблизительно равна 0,007 мм/с, не забывая ещё и хаотически метаться в тепловом движении.

Давайте теперь разберёмся в основных характеристиках тока

Представим картину: У вас имеется стандартная картонная коробка с горячительным напитком на 12 бутылок. А вы пытаетесь засунуть туда ещё бутылку. Предположим вам это удалось, но коробка едва выдержала. Вы засовываете туда ещё одну, и вдруг коробка рвётся и бутылки вываливаются.

Коробку с бутылками можно сравнить с поперечным сечением проводника:

Чем шире коробка (толще провод), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА), она может в себя поместить (обеспечить).

В коробке (в проводнике) можно поместить от одной до 12 бутылок – она не развалится (проводник не сгорит), а большее число бутылок (большую силу тока) она не вмещает (представляет сопротивление).
Если сверху на коробку, мы поставим ещё одну коробку, то на одной единице площади (сечении проводника) мы разместим не 12, а 24 бутылки, ещё одну сверху — 36 бутылок. Одну из коробок (один этаж) можно принять за единицу аналогичную НАПРЯЖЕНИЮ электрического тока.

Чем шире коробка (меньше сопротивление), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА) она может обеспечить.

Увеличив высоту коробок (напряжение), мы можем увеличить общее количество бутылок (МОЩНОСТЬ) без разрушения коробок (проводника).

По нашей аналогии получилось:

Общее количество бутылок это — МОЩНОСТЬ

Количество бутылок в одной коробке (слое) это — СИЛА ТОКА

Количество ящиков в высоту (этажей) это — НАПРЯЖЕНИЕ

Ширина коробки (вместимость) это — СОПРОТИВЛЕНИЕ участка электрической цепи

Путём перечисленных аналогий, мы пришли к «ЗАКОНУ ОМА«, который ещё называется Законом Ома для участка цепи. Изобразим его в виде формулы:

Закон Ома

где I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов), R – сопротивление.

По-простому, это звучит так: Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Кроме того, мы пришли и к «ЗАКОНУ ВАТТА«. Так же изобразим его в виде формулы:

Закон Ватта

где I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов), Р – мощность.

По-простому, это звучит так: Мощность равна произведению силы тока на напряжение.

Сила электрического тока измеряется прибором называемым Амперметром. Как вы догадались, величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Для увеличения диапазона обозначений единицы изменения существуют такие приставки кратности как микро — микроампер (мкА), мили – миллиампер (мА). Другие приставки в повседневном обиходе не используются. Например: Говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в обычной жизни не реальны. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10 -9 Ампер.

Электрическое напряжение (электрический потенциал) измеряется прибором называемым Вольтметром, как вы догадались, напряжение, т. е. разность потенциалов, которая заставляет течь ток, измеряется в Вольтах (В). Так же, как для тока, для увеличения диапазона обозначений, существуют кратные приставки: (микро — микровольт (мкВ), мили – милливольт (мВ), кило – киловольт (кВ), мега – мегавольт (МВ). Напряжение ещё называют ЭДС – электродвижущей силой.

Электрическое сопротивление измеряется прибором называемым Омметром, как вы догадались, единица измерения сопротивления – Ом (Ом). Так же, как для тока и напряжения, существуют приставки кратности: кило – килоом (кОм), мега – мегаом (МОм). Другие значения в обычной жизни не реальны.

Ранее, Вы узнали, что сопротивление проводника напрямую зависит от диаметра проводника. К этому можно добавить, что если к тонкому проводнику приложить большой электрический ток, то он будет не способен его пропустить, из-за чего будет сильно греться и, в конце концов, может расплавиться. На этом принципе основана работа плавких предохранителей.

Атомы любого вещества располагаются на некотором расстоянии друг от друга. В металлах расстояния между атомами настолько малы, что электронные оболочки практически соприкасаются. Это дает возможность электронам свободно блуждать от ядра к ядру, создавая при этом электрический ток, поэтому металлы, а также некоторые другие вещества являются ПРОВОДНИКАМИ электричества. Другие вещества – наоборот, имеют далеко расставленные атомы, электроны, прочно связанные с ядром, которые не могут свободно перемещаться. Такие вещества не являются проводниками и их принято называть ДИЭЛЕКТРИКАМИ, самым известным из которых является резина. Это и есть ответ на вопрос, почему электрические провода делают из металла.

О наличии электрического тока говорят следующие действия или явления, которые его сопровождают:

;1. Проводник, по которому течет ток, может нагреваться;

2. Электрический ток может изменять химический состав проводника;

3. Ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела.

При отделении электронов от ядер освобождается некоторое количество энергии, которое нагревает проводник. «Нагревательную» способность тока принято называть рассеиваемой мощностью и измерять в ваттах. Такой же единицей принято измерять и механическую энергию, преобразованную из электрической энергии.

Опасность электрического тока и другие опасные свойства электричества и техника безопасности

Электрический ток нагревает проводник, по которому течёт. Поэтому:

1. Если бытовая электрическая сеть испытывает перегрузку, изоляция постепенно обугливается и осыпается. Возникает возможность короткого замыкания, которое очень опасно.

2. Электрический ток, протекая по проводам и бытовым приборам, встречает сопротивление, поэтому «выбирает» путь с наименьшим сопротивлением.

3. Если происходит короткое замыкание, сила тока резко возрастает. При этом выделяется большое количество тепла, способное расплавить металл.

4. Короткое замыкание может произойти и из-за влаги. Если в случае с коротким замыканием происходит пожар, то в случае с воздействием влаги на электроприборы в первую очередь страдает человек.

5. Удар электричеством очень опасен, вероятен смертельный исход. При протекании электрического тока через организм человека, сопротивление тканей резко уменьшается. В организме происходят процессы нагревания тканей, разрушения клеток, отмирания нервных окончаний.

Как обезопасить себя от поражения электрическим током

Чтобы обезопасить себя от воздействия электрического тока, используют средства защиты от поражения электрическим током: работают в резиновых перчатках, используют резиновый коврик, разрядные штанги, устройства заземления аппаратуры, рабочих мест. Автоматические выключатели с тепловой защитой и защитой по току, так же являются не плохим средством защиты от поражения током, способным сохранить жизнь человека. Когда я не уверен в отсутствии опасности поражения электрическим током, при выполнении не сложных операций в электрощитовых, блоках аппаратуры, я как правило работаю одной рукой, а другую руку ложу в карман. Тем самым исключается возможность поражения током по пути рука-рука, в случае случайного прикосновения к корпусу щита, или другим массивным заземлённым предметам.

Для тушения пожара, возникшего на электрооборудовании используют только порошковые или углекислотные огнетушители. Порошковые тушат лучше, но после засыпания аппаратуры пылью из огнетушителя, эту аппаратуру не всегда возможно восстановить.

Видео по теме: что такое электрический ток

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Что такое электрический ток?

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

  • к производственному цеху;
  • квартире;
  • на поле;
  • в шахту, под воду и т. д.

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Читать еще:  Технические характеристики Toyota Corolla 2020

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока – векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м 2 . Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

  1. Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
  2. квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
  3. Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
  4. Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Рис. 5. Электроток в жидкостях

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Электричество, ток, напряжение, сопротивление и мощность

Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.

И так будем разбираться во всем по порядку.

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19 Кл (Кулон). Обозначается е или е – .

Напряжение

Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V. Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд, высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток.

Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.

Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!

Единица измерения силы тока – Ампер (А). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I. Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10 18 электронов) за 1 секунду.

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление.

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.

Сопротивление

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.

Читать еще:  Транзисторная система зажигания

Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.

Мощность

Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.

Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.

Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P. Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность, единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A), обозначается буквой S.

И в завершение про Электрическую цепь. Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.

Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями R (Ом) от плюса к минусу течет электрический ток I (А) заставляющий светиться лампочку мощностью P (Вт). Не обращайте внимания на яркость лампы, это из-за плохого давления и малого потока воды батареек.

Фонарик, что представлен на фотографии, собран на базе конструктора « Знаток ». Данный конструктор позволяет ребенку в игровой форме познать основы электроники и принцип работы электронных компонентов. Поставляется в виде наборов с разным количеством схем и разного уровня сложности.

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.

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны вметалле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.

Различают постоянный (англ. direct current, DC — постоянный ток) и переменный (англ. alternating current, AC — переменный ток) ток.

Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.

Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется. Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.

2.условия, необходимые для существования тока

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо, во-первых, наличие свободных заряженных частиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока. Но наличия свободных зарядов еще недостаточно для возникновения тока. Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима, во-вторых, сила, действующая на них в определенном направлении. Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за электрического сопротивления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молекулами электролитов. На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой

Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц. Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю. Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника, в соответствии с формулой (14.21), существует разность потенциалов. Когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток. Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала. Электрический ток, как известно, может быть получен только в таком веществе, в котором имеются свободные заряженные частицы. Чтобы эти частицы пришли в упорядоченное движение, нужно создать в проводнике электрическое поле.

Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока в цепи). Напряжение может быть задано как константа, как функция времени, либо как внешнее управляющее воздействие.

В простейшем случае напряжение определено как константа, то есть напряжение источника ЭДС постоянно.

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению этого участка.

Постоянный электрический ток: определение, механизм, характеристики

Постоянный ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, движущихся в одном направлении.

По теории данные заряженные частицы относят к носителям тока. В проводниках и полупроводниках такими носителями являются электроны, в электролитах – заряженные ионы, в газах – электроны и ионы. Металлы характеризуются перемещением только электронов. Отсюда следует, что электрический ток в них – это движение электронов проводимости.

Результат прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих растворах заметно отличается. Наличие химических процессов в металлах при протекании тока отсутствует. В электролитах под воздействием тока происходит выделение ионов вещества на электродах. Различие заключается в отличии носителей зарядов металла и электролита. В металлах – это свободные электроны, отделившиеся от атомов, в растворах – ионы, атомы или их группы с зарядами.

Необходимые условия существования электрического тока

Первое необходимое условие существования электрического тока любого вещества – наличие носителей заряда.

Для равновесного состояния зарядов необходимо равнение нулю разности потенциалов между любыми точками проводника. При нарушении данного условия, заряд не сможет переместиться. Отсюда следует, что второе необходимое условие существования электрического тока в проводнике – создание напряжения между некоторыми точками.

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

Такое движение возможно при перемещении в пространстве заряженного проводника или диэлектрика. Подобный электрический ток получил название конвекционного.

Механизм осуществления постоянного тока

Для постоянного прохождения тока в проводнике следует подсоединить к проводнику или их совокупности устройство, в котором постоянно происходит процесс разделения электрических зарядов для поддержания напряжения в цепи. Данный механизм получил название источника тока (генератора).

Силы, разделяющие заряды, называют сторонними. Они характеризуются неэлектрическим происхождением, действуют внутри источника. При разделении зарядов сторонние силы способны создать разность потенциалов между концами цепи.

Если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил равняется нулю. Отсюда следует, что суммарная работа сил A , действующих на заряд, равна работе сторонних A s t . Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется как:

ε = A q ( 1 ) , где значение q подразумевает положительный заряд. Его движение происходит по замкнутому контуру. ЭДС – это не сила. Единица измерения ε = В .

Природа сторонних сил различна. В гальваническом элементе они являются результатом электрохимических процессов. В машине с постоянным током такой силой является сила Лоренца.

Основные характеристики электрического тока

Условно принято считать направление тока за направление движения положительных частиц. Отсюда следует, что направление тока в металлах характеризуется противоположным направлением относительно направления движения частиц.

Электрический ток обладает силой тока.

Сила тока I – скалярная величина, равняется производной от заряда q по времени для тока, который проходит через поверхность S :

Ток может быть постоянным и переменным. При неизменной силе тока с его направлением по времени ток называют постоянным, а выражение силы тока для него примет вид:

I = q t ( 3 ) , где сила тока рассматривается в качестве заряда, проходящего через поверхность S в единицу времени.

По системе С И основная единица измерения силы тока – Ампер ( А ) .

Плотность – это векторная локальная характеристика. Вектор плотности тока j → способен показывать, каким образом распределяется ток по сечению S . Его направление идет в сторону, куда движутся положительные заряды.

Значение вектора плотности тока по модулю равно:

j = d I d S ‘ ( 4 ) , где d S ‘ является проекцией элементарной поверхности d S на плоскость, перпендикулярную вектору плотности тока, d I – элементом силы, которая идет через поверхности d S и d S ‘ .

Представление плотности в металле возможно по формуле:

j → = — n 0 q e » open=» υ → ( 5 ) , где n 0 обозначается концентрацией электронов проводимости, q e = 1 , 6 · 10 — 19 К л – зарядом электрона, » open=» υ → – средней скоростью упорядоченного движения электронов. Если значение плотностей тока максимальное, то

» open=» υ → = 10 — 4 м с .

Закон сохранения заряда

Основным физическим законом считается закон сохранения электрического заряда. При выборе произвольной замкнутой поверхности S , изображенной на рисунке 1 , ограничивающей объем V количество выходящего электричества в единицу времени ( 1 секунду) из объема V можно определить по формуле ∮ s j n d S . Такое же количество электричества выражается через заряд — ∂ q ∂ t , тогда получаем:

∂ q ∂ t = — ∮ S j n d S ( 6 ) , где j n считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности d S , при этом:

j n = j cos a ( 7 ) , где a является углом между направлением нормали к d S и вектором плотности тока. Уравнение ( 6 ) показывает частое употребление производной для того, чтобы сделать акцент на неподвижности поверхности S .

Выражение ( 6 ) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона примет вид:

∮ S j n d S = 0 ( 8 ) .

Найти формулу для того, чтобы рассчитать конвекционный ток при его возникновении в длинном цилиндре с радиусом сечения R и наличием его равномерной скорости движения υ , который заряжен по поверхности равномерно. Значение напряженности поля у поверхности цилиндра равняется E . Направление скорости движения вдоль оси цилиндра.

Основой решения задачи берется определение силы тока в виде:

I = d q d t ( 1 . 1 ) .

Из формулы ( 1 . 1 ) следует, что возможно нахождение элемента заряда, располагающегося на поверхности цилиндра.

Напряженность поля равномерно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению:

E = σ ε 0 ( 1 . 2 ) , где σ является поверхностной плотностью заряда, ε 0 = 8 , 85 · 10 — 12 К л Н · м 2 . Выразим σ из ( 1 . 2 ) , тогда:

σ = E · ε 0 ( 1 . 3 ) .

Связь поверхностной плотности заряда с элементарным зарядом выражается при помощи формулы:

d q d S = σ ( 1 . 4 ) .

Используя ( 1 . 3 ) , ( 1 . 4 ) , имеем:

d q = E · e 0 d S ( 1 . 5 ) .

Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры:

d S = 2 π · R d h ( 1 . 6 ) , где d h является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра примет вид:

d q = E · ε 0 · 2 h · R d h ( 1 . 7 ) .

Произведем подстановку из ( 1 . 7 ) в ( 1 . 1 ) :

I = d ( E · ε 0 · 2 π · Rdh ) d t = 2 πRε 0 E dh dt ( 1 . 8 ) .

Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:

d h d t = υ ( 1 . 9 ) .

I = 2 π R ε 0 E υ .

Ответ: конвективный ток I = 2 π R ε 0 E υ .

Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I = 1 + 3 t . Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t , изменяющегося от t 1 = 3 с до t 2 = 7 c . Каким должен быть постоянный электрический ток, чтобы за аналогичное время происходило то же значение заряда?

Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:

I = d q d t ( 2 . 1 ) .

Формула ( 2 . 1 ) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t 1 до t 2 возможно таким образом:

q = ∫ t 1 t 2 I d t ( 2 . 2 ) .

Произведем подстановку имеющегося по условию закона в ( 2 . 2 ) для получения:

q = ∫ t 1 t 2 ( 1 + 3 t ) d t = ∫ t 1 t 2 d t + ∫ t 1 t 2 3 t d t = t 2 — t 1 + 3 · t 2 2 t 1 t 2 = ( t 2 — t 1 ) + 3 2 t 2 2 — t 1 2 ( 2 . 3 ) .

q = 7 — 3 + 3 2 ( 7 2 — 3 2 ) = 4 + 3 2 · 40 = 64 ( К л ) .

Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:

I c o n s t = q t ( 2 . 3 ) , где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q .

Тогда время протекания заряда равняется:

t = t 2 — t 1 ( 2 . 4 ) .

Выражение ( 2 . 3 ) примет вид:

I c o n s t = q t 2 — t 1 ( 2 . 5 ) .

Произведем подстановку и вычислим:

I c o n s t = 64 7 — 3 = 64 4 = 16 ( A ) .

Ответ: q = 64 К л . I c o n s t = 16 А . .

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector