Меню

Электрический ток сила тока плотность тока условия существования электрического тока в цепи



Сила и плотность тока. Условия существования тока

Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода), имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных частиц вещества — ионов, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд — в электролитах (проводники второго рода), либо направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных газах (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условно принято направление движения положительно заряженных частиц.

Для существования электрического тока в веществе необходимо:

  1. наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля:
  2. наличие источника тока, создающего и поддерживающего в проводнике в течение длительного времени электрическое поле;

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

Сила тока — скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

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

Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10-7 Η на каждый метр длины проводников.

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы q0. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд


Рис. 1

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов , то за промежуток времени все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов при максимально допустимых значениях силы тока

10-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).

Как следует из формулы (1), . Направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

Если в проводнике течет постоянный ток и проводник остается неподвижным, то работа сторонних сил расходуется на его нагревание. Опыт показывает, что в любом проводнике происходит выделение теплоты, равное работе, совершаемой электрическими силами по переносу заряда вдоль проводника. Если на концах участка проводника имеется разность потенциалов , тогда работу по переносу заряда q на этом участке равна

По определению I= q/t. откуда q= I t. Следовательно

Так как работа идет па нагревание проводника, то выделяющаяся в проводнике теплота Q равна работе электростатических сил

Соотношение (17.13) выражает закон Джоуля-Ленца в интегральной форме. Введем плотность тепловой мощности , равную энергии выделенной за единицу время прохождения тока в каждой единице объема проводника

где S — поперечное сечение проводника, — его длина. Используя (1.13) и соотношение , получим

Но — плотность тока, а , тогда

с учетом закона Ома в дифференциальной форме , окончательно получаем

Формула (17.14) выражает закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме: объемная плотность тепловой мощности тока в проводнике равна произведению его удельной электрической проводимости на квадрат напряженности электрического поля.

Сторонние силы ЭДС

Смещение под действием электрического поля зарядов в проводнике всегда происходит таким образом, что электрическое поле в проводнике исчезает и ток прекращается. Для протекания тока в течение продолжительного времени на заряды в электрической цепи должны действовать силы, отличные по природе от сил электростатического поля, такие силы получили название сторонних сил.

Читайте также:  Как ток превращается в волну

Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей тока в неоднородной среде, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми переменными во времени магнитными полями, и т. д. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником электрического тока.

Сторонние силы характеризуют работой, которую они совершают над перемещаемыми по электрической цепи носителями заряда. Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в электрической цепи или на ее участке.

Представим стороннюю силу , действующую на заряд q, в виде

,

где векторная величина представляет напряженность поля сторонних сил. Тогда на участке цепи ЭДС равна

.

Интеграл, вычисленный для замкнутой цепи, дает ЭДС, действующую в этой цепи,

.

Последнее выражение дает самое общее определение ЭДС и пригодно для любых случаев. Если известно, какие силы вызывают движение зарядов в данном источнике, то всегда можно найти напряженность поля сторонних сил и вычислить ЭДС источника. Физическая природа электродвижущих сил в разных источниках весьма различна.

Рассмотрим пример. Пусть имеется металлический диск радиуса R (рис. 4.2), вращающийся с угловой скоростью . Диск включен в электрическую цепь при помощи скользящих контактов, касающихся оси диска и его окружности. Центростремительная сила , где m — масса электрона; r — расстояние от оси диска. Эта сила действует на электрон и поэтому , возникающая ЭДС равна

Источник

Электрический ток. Условия существования электрического тока. Сила тока. Плотность тока. Электродвижущая сила. Напряжение

date image2015-05-13
views image1161

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Движение электрических зарядов из одной точки в другую порождает электрический ток.

Электрический ток – направленное движение положительных заряженных частиц.

Положительно заряженные ядра атомов остаются практически неподвижными, движутся электроны. В металле есть свободные электроны (электроны проводимости), движущиеся со скоростью ≈ 10 6 м/с.

Рассмотрим элемент проводника длиной l и площадью поперечного сечения S. В отсутствии электрического поля суммарный перенос электронов через единичную площадку отсутствует и электрический ток равен 0. Под действием электрического поля свободные электроны начинают двигаться упорядоченно противоположно направлению тока.

Если за 1 секунду через данную поверхность протекает заряд 1 Кл, это значит, что через нее протекает ток 1 А.

Е – напряженность электрического поля;

J – направление тока; •- результирующее движение электронов

Электродвижущая сила– характеристика любого внешнего воздействия ( механического, теплового или химического ), приводящего к возникновению электрического тока.

Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуется плотностью тока j=dI/dS, j=I/S=q/Sτ, j – векторная величина, направленная вдоль тока и численно равная количеству электричества, протекающего за единицу времени через единицу площади, ориентированной перпендикулярно току. Зная плотность тока в каждой точке пространства, можно найти силу тока через любую поверхность. Для этого надо воспользоваться: I=∫jdS. Единица плотности тока в СИ: (j)=1А/м 2 .

Условия существования электрического тока в проводнике: наличие свободных электрических зарядов, замкнутая электрическая цепь, наличие в цепи источника ЭДС.

На участке цепи на заряд действует электростатическое поле. Сила, действующая на заряд в электростатическом поле fст=qE, значит результативная сила, действующая в каждой точке участка цепи на заряд q: f=fст+fэл=q(E*+E). Работа, совершенная этой силой под зарядом q на участке цепи 1-2: А12=q∫E*edl+q∫Eedl=qε12+q(φ12). Величина, численно равная работе, совершаемой электростатической и сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда, называется падением напряжения на данном участке цепи. Тогда по определению U12= А12/q= ε12+(φ12),

Источник

Постоянный электрический ток. Плотность тока. Условия существования тока.Уравнение неразрывности.

Постоянный электрический ток – электрический ток, не изменяющийся со временем ни по силе, ни по направлению.

Упорядоченное движение свободных носителей зарядов возникает под действием сил электрического поля и характеризуется средней скоростью u. В то же самое время носители зарядов находятся в тепловом хаотическом движении со средней скоростьюv.

Читайте также:  Кто впервые придумал ток 1

При наличии электрического тока нарушается равновесное распределение зарядов в проводнике: поверхность проводника уже не является эквипотенциальной и силовые линии электрического поля не направлены перпендикулярно ей. Для движения зарядов необходимо, чтобы на поверхности проводника тангенциальная составляющая напряженности электрического поля не равнялась нулю. Такое электрическое поле создается поверхностными зарядами, плотность которых изменяется по длине проводника (имеется градиент поверхностной плотности заряда). Внутри проводника поверхностными зарядами создается электрическое поле, силовые линии которого повторяют форму проводника.

Необходимыми условиями для существования постоянного тока являются:

– наличие свободных носителей зарядов, которые могли бы перемещаться на макроскопическое расстояние;

– наличие замкнутой проводящей цепи;

– наличие электрического поля, энергия которого затрачивалась бы на перемещение электрических зарядов. Для того, чтобы ток был длительным, энергия поля должна все время пополняться, то есть, нужен источник электрической энергии.

Плотность тока – это векторная величина, определяется по формуле

это выражение называется уравнением непрерывности и представляет собой закон сохранения заряда. В случае постоянных токов распределение зарядов стационарно, т. е. = 0, так что уравнение непрерывности принимает вид:

. (4.5)

Воспользовавшись теоремой Гаусса, можем записать

.

Ввиду произвольности объема интегрирования V отсюда следует, что

Закон Ома для участка цепи и неоднородного участка цепи. Параллельное и последовательное соединение сопротивлений. ЭДС.

Закон Ома для участка цепи и неоднородного участка цепи.

Закон Ома для участка цепи – полученный экспериментальным (эмпирическим) путём закон, который устанавливает связь силы тока на участке цепи с напряжением на концах этого участка и его сопротивлением. Строгая формулировка закона Ома для участка цепи записывается так: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на её участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. , где

I – сила тока в проводнике [А]; U – электрическое напряжение (разность потенциалов) [В];R – электрическое сопротивление (или просто сопротивление) проводника [Ом].

На практике видно, что для поддержания стабильного тока в замкнутой цепи необходимы силы принципиально иной природы, нежели кулоновские, тогда наблюдается случай, когда на участке цепи на свободные электрические заряды одновременно действуют как силы электрического поля, так и сторонние силы (любые неконсервативные силы, действующие на заряд, за исключением сил электрического сопротивления (кулоновских сил)). Такой участок называется неоднородным участком цепи

Напряженность поля в любой точке цепи равна векторной сумме поля кулоновских сил и поля сторонних сил: Сформулируем закон Ома для неоднородного участка цепи — Сила тока прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его полному сопротивлению:

, где I – сила тока, U12 – напряжение на участке, R – полное сопротивление цепи.

Параллельное и последовательное соединение сопротивлений.

Последовательное соединение сопротивлений

Возьмем три постоянных сопротивления R1, R2 и R3 и включим их в цепь так, чтобы конец первого сопротивления R1 был соединен с началом второго сопротивления R2, конец второго — с началом третьего R3, а к началу первого сопротивления и к концу третьего подведем проводники от источника тока.

Как определить общее сопротивление цепи, если все включенные в нее последовательно сопротивления мы уже знаем? Используя положение, что напряжение U на зажимах источника тока равно сумме падений напряжений на участках цепи, мы можем написать:

U = U1 + U2 + U3, где U1 = IR1 U2 = IR2 и U3 = IR3 или IR = IR1 + IR2 + IR3.

Вынеся в правой части равенства I за скобки, получим IR = I(R1 + R2 + R3).

Поделив теперь обе части равенства на I, будем окончательно иметь R = R1 + R2 + R3

Таким образом, мы пришли к выводу, что при последовательном соединении сопротивлений общее сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков.

Параллельное соединение сопротивлений

Возьмем два постоянных сопротивления R1 и R2 и соединим их так, чтобы начала этих сопротивлений были включены в одну общую точку а, а концы — в другую общую точку б. Соединив затем точки а и б с источником тока, получим замкнутую электрическую цепь. Такое соединение сопротивлений называется параллельным соединением.

Читайте также:  Схема электронного датчика тока

От положительного полюса источника тока по соединительному проводнику ток дойдет до точки а. В точке а он разветвится, так как здесь сама цепь разветвляется на две отдельные ветви: первую ветвь с сопротивлением R1 и вторую — с сопротивлением R2. Обозначим токи в этих ветвях соответственно через I1 и I2. Каждый из этих токов пойдет по своей ветви до точки б. В этой точке произойдет слияние токов в один общий ток, который и придет к отрицательному полюсу источника тока.

Итак, мы пришли к важному выводу, заключающемуся в том, что при параллельном соединении сопротивлений общий ток цепи разветвляется на токи, обратно пропорциональные величинам сопротивлении параллельных ветвей. Иначе говоря, чем больше сопротивление ветви, тем меньший ток потечет через нее, и, наоборот, чем меньше сопротивление ветви, тем больший ток потечет через эту ветвь.

ЭДС (Электродвижущая сила) — физическая величина, характеризующая работу сторонних сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. E=A/q, где:

A –работа в джоулях; q — заряд в кулонах. Величина ЭДС в системе СИ измеряется в вольтах (В).

Дата добавления: 2019-02-22 ; просмотров: 228 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Электрический ток сила тока плотность тока условия существования электрического тока в цепи

Пусть цилиндрический проводник имеет поперечное сечение площадью S. За положительное направление в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q.

Измеряют силу тока амперметрами. Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике. Найдем скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле v = I / enS , где е — модуль заряда электрона. Пусть, например, сила тока I = 1 A, а площадь поперечного сечения проводника S = 10 -6 м 2 . Модуль заряда электрона е = 1,6•10 -19 Кл. Число электронов в 1 м 3 меди равно числу атомов в этом объеме, так как один из валентных электронов каждого атома меди коллективизирован и является свободным. Это число есть n = 8,5•10 28 м 3 . Следовательно,

Основная количественная характеристика электрического тока — сила тока. Она определяется электрическим зарядом, переносимым через поперечное сечение проводника за единицу времени. Скорость заряженных частиц (электронов) в проводнике очень мала — около 0,1 мм/с.

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.

Закон Ома для участка цепи.

Немецкий ученый Георг Ом в 1827 г. связал воедино три физические величины и вывел закон, который назвали его именем. Закон Ома для участка цепи гласит:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление.

Последовательное и параллельное соединение проводников.

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

Смешанное соединение — комбинация параллельного и последовательного соединений.

Источник