Меню

Классификация электрических токов эдс



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.

Опыт с заряженными телами

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.

Электрофорная машина

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.

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.

Читайте также:  Тесты по физике электр ток

Электрический ток в металлах

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).

Электрический ток в газах

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.

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:

  • все благородные металлы;
  • медь;
  • алюминий;
  • олово;
  • свинец.

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.

Источник

Классификация электрических токов эдс

Вы будете перенаправлены на Автор24

Электрический ток образуется в веществе только при условии наличия свободных заряженных частиц. Заряд может находиться в среде изначально или же формироваться при условии содействия внешних факторов (температуры, электромагнитного поля, ионизаторов). Движение заряженных частиц хаотичны при условии отсутствия электромагнитного поля, а при подключении к двум точкам вещества, разности потенциалов превращаются в направленные — от одного вещества к другому.

Понятие, сущность и проявления электрического тока

Электрический ток – это упорядоченное и направленное движение заряженных частиц.

Такими частицами могут быть:

  • В газах – ионы и электроны,
  • В металлах – электроны,
  • В электролитах – анионы и катионы,
  • В вакууме – электроны (при определенных условиях),
  • В полупроводниках – дырки и электроны (электронно-дырочная проводимость).

Готовые работы на аналогичную тему

Часто используют такое определение понятия «электрический ток». Электрический ток – это ток смещения, который возникает в результате изменения электрического поля во времени.

Электрический ток может выражаться в следующих проявлениях:

  1. Нагрев проводников. Выделение теплоты не происходит в сверхпроводниках.
  2. Изменение химического состава некоторых проводников. Данное проявление преимущественно можно наблюдать в электролитах.
  3. Формирование электрического поля. Проявляется у всех проводников без исключения.

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 1. Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Классификация видов электрического тока

Электрический ток проводимости – это явление, при котором заряженные частицы движутся внутри макроскопических элементов той или иной среды.

Конвекционный ток – явление, при котором движутся макроскопические заряженные тела (к примеру, заряженные капли осадков).

Различают постоянный, переменный и пульсирующий электрические токи и их всевозможные комбинации. Однако в таких комбинациях часто опускают термин «электрический».

Существует несколько разновидностей электрического тока:

  1. Постоянный ток – это ток, величина и направление которого слабо изменяются во времени.
  2. Переменный ток – это ток, направление и величина которого прогрессивно меняются во времени. Под переменным током понимается ток, который не является постоянным. Среди всех разновидностей переменного тока основным является тот, величина которого может изменяться только по синусоидальному закону. Потенциал каждого конца проводника в данном случае изменяется по отношению к другому концу попеременно с отрицательного на положительный, и наоборот. При этом он проходит через все промежуточные потенциалы. В результате формируется ток, который непрерывно изменяет направление. Двигаясь в одном направлении, ток возрастает, достигая своего максимума, который именуется амплитудным значением. После чего он идет на спад, на какой-то период приравнивается к нулю, после чего цикл возобновляется.
  3. Квазистационарный ток – это переменный ток, который изменяется относительно медленно, для его мгновенных значений выполняются законы постоянных токов с достаточной точностью. Подобными законами являются правила Кирхгофа и закон Ома. Квазистационарный то во всех сечениях неразветвленной сети имеет одинаковую силу. При расчете цепей данного тока учитываются сосредоточенные параметры. Квазистационарные промышленные токи – это те, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется (кроме токов в линиях дальних передач).
  4. Переменный ток высокой частотности – это электрический ток, в котором уже не выполняется условие квазистационарности. Он проходит по поверхности проводника и обтекает его со всех сторон. Такой эффект получил название скин-эффект.
  5. Пульсирующий ток – это электрический ток, у которого направление остается постоянным, а изменяется только величина. Вихревые токи или токи Фуко – это замкнутые электрические токи, которые расположены в массивном проводнике и возникают при изменении магнитного потока. Исход из этого, вихревые токи являются индукционными. Чем скорее магнитный поток изменяется, тем сильнее становятся вихревые токи. По проводам они не текут по определенным путям, а замыкаются в проводнике и образуют вихреобразные контуры.

Благодаря существованию вихревых токов, осуществляется скин-эффект, когда магнитный поток и переменный электрический ток распространяются по поверхностному слою проводника. Из-за нагрева вихревыми токами происходит потеря энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Чтобы уменьшить потерю энергии для вихревых потоков применяется деление магнитных проводов переменного тока на отдельные пластины, которые изолированы друг от друга и располагаются перпендикулярно по направлению вихревых токов. Из-за этого ограничиваются возможные контуры их путей, и стремительно уменьшается величина этих токов.

Характеристики электрического тока

Исторически так сложилось, что направление движения положительных зарядов в проводнике совпадает с направлением тока. Если естественными носителями электрического тока являются отрицательно заряженные электроны, то направление тока будет противоположно по направлению положительно заряженных частиц.

Скорость заряженных частиц напрямую зависит от заряда и массы частиц, материала проводника, температуры внешней среды и приложенной разности потенциалов. Скорость целенаправленного движения составляет величину, которая значительно меньше скорости света. Электроны за одну секунду перемещаются в проводнике за счет упорядоченного движения меньше, чем на одну десятую миллиметра. Но, несмотря на это, скорость распространения тока приравнивается скорости света и скорости распространения фронта электромагнитных волн.

То место, где меняется скорость перемещения электронов после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространение электромагнитного колебания.

Основные типы проводников

В проводниках в отличие от диэлектриков есть свободные носители некомпенсированных зарядов. Они под воздействием силы электрических потенциалов приходят в движение и формируют электрический ток.

Читайте также:  Как рассчитать действующее значение переменного тока

Вольтамперная характеристика или, иными словами, зависимость силы тока от напряжения является главной характеристикой проводника. Для электролитов и металлических проводников она принимает простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению. Это закон Ома.

В металлах носителями тока являются электроны проводимости, которые рассматриваются как электронный газ. В них отчетливо проявляются квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма – это ионизированный газ. В данном случае при помощи ионов и свободных электронов переносится электрический заряд. Свободные электроны образуются под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения или нагревания.

Электролиты – это твердые или жидкие системы и вещества, в которых присутствует заметная концентрация ионов, что обуславливает прохождение электрического тока. В процессе электролитической диссоциации образуются ионы. Сопротивление электролитов при нагревании падает из-за роста числа молекул, которые разложились на ионы. В результате прохождения электрического тока сквозь электролит, ионы приближаются к электродам и нейтрализуются, оседая на них.

Физические законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, который выделился на электродах. Вообще работы Фарадея на разные темы, связанные с электричеством, отличаются глубиной и масштабностью. Он провел большое число опытов и выступил с огромным количеством докладов.

Кратко упомянем, что также существует электрический ток электронов в вакууме, применяемый в электронно-лучевых приборах.

Источник

Портал ТОЭ

1.2 Классификация элементов электрической цепи

Основными элементами электрической цепи являются:

  • источники электрической энергии, в которых химическая, механическая тепловая и другого вида энергия превращается в электрическую (гальванические элементы, генераторы, термоэлементы, солнечные батареи); если в цепи включён источник постоянного напряжения, цепь называется цепью постоянного тока, в противном случае – цепь переменного тока;
  • приёмники электрической энергии, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в другие её виды;
  • устройства для передачи и преобразования электрической энергии – ЛЭП, линии связи, трасформаторы, преобразователи частоты, выпрямители и др…

К активным элементам относятся источники энергии, остальные – пассивные элементы , в которых энергия рассеивается и (или) накапливается.

В зависимости от числа выводов элементы цепи бывают: двухполюсными, трёхполюсными и т.д., многополюсными.

Под элементами в ТОЭ подразумеваются обычно не физически существующие составные части электроустановок, а их идеализированные модели, которым приписываются определённые электрические и магнитные свойства, так, что они в совокупности приближённо отображают явления, происходящие в реальных устройствах. Эти свойства представляются определёнными соотношениями между током и напряжением на данном элементе.

Но, прежде чем рассматривать данные элементы, вспомним основные электрические величины.

1. Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов. Численно определяется по формуле:

где q – заряд (количество электричества) через сечение проводника, кулон (Кл).

Электрическому току приписывается направление, за которое принимается некий заранее выбранный ориентир, обычно за него принимают направление перемещения положительных зарядов (от « + » к « − »). Направление тока характеризуется его знаком.

2. Электрические заряды движутся под дейтсвием напряжения. Напряжением (разностью потенциалов) между двумя точками цепи называется работа, совершаемая при перемещении малого заряда между этими точками:

(иначе, это энергия dA = dW ).

Условно положительное направление напряжения совпадает с направлением тока.

3. Если поступающая в приёмник элементарная энергия определяется выражением:

то скорость поступления в цепь электрической энергии является мгновенной мощностью :

Если p > 0 , энергия поступает в приёмник, если p 0 – возвращается в источник.

4. Энергия, поступившая в приёмник за Δ t = t 2 − t 1 определяется выражением:

Энергия всегда положительна.

Таким образом, рассматривая основные элементы цепи, как математические модели, связывающие токи и напряжения на данных элементах особым образом, следует сказать, что при протекании электрического тока возникают следуующие существенные явления:

  • потери электрической энергии (поглощение электромагнитной энергии);
  • возникновении магнитного поля;
  • возникновение электрического поля.

В соответствии с этим различают следующие виды элементов.

1. Резистивное (активное) электрическое сопротивление (резистор) – это элемент, в котором электромагнитная энергия преобразуется в тепловую.

С этим элементом оперировали уже в 70 гг. XVIII века такие учёные, как английский учёный Г. Кавендиш, французский физик Ж. Нолле и др.

Активное сопротивление определяется по формуле:

Обратная ему величина (в отдельных случаях) – активная (резистивная) проводимость g = 1 ∕R , См (сименс).

Зависимость u ( t ) = f ( i ( t )) называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). В общем случае она линейная, а обозначение нелинейного активного элемента .

Первоначально активное сопротивление мы будем рассматривать как линейное с линейной ВАХ

К такому идеальному элементу близки по свойствам реостаты, лампы накаливания и др.

Мгновенная мощность в активном элементе

2. Индуктивность – это элемент, в котором накапливается энергия магнитного поля. В первом приближении им называют индуктивную катушку.

При протекании тока по катушке по правилу буравчика возникает магнитный поток. Магнитное поле изображается в виде замкнутых силовых линий магнитного поля, сцепленных с витками катушки. Число линий поля, сцепленных с отдельными витками, неодинаково, поэтому вводится понятие потокосцепления, представляющего собой сумму всех потоков, сцеплённых с отдельными витками катушки:

где W – число витков катушки.

Индуктивность выражается формулой:

На основании закона электромагнитной индукции устанавливается связь между током и напряжением в катушке: при изменении магнитного потока, сцеплённого с контуром, в нём наводится ЭДС, равная скорости изменения потокосцепления и направленная так, чтобы ток, вызванный ею, стремился воспрепятствовать изменению наводящего потока.

Напряжение на индуктивном элементе определяется скоростью изменения тока.

Индуктивность характеризуется вебер-амперной характеристикой. Для среды, не являющейся ферромагнетиком, эта зависимость Ψ( i ) линейна. Если есть ферромагнитный сердечник, индуктивность нелинейна.

Энергия магнитного поля

3. Ёмкость – элемент, в котором накапливается энергия электрического поля. К этому идеальному устройству близок конденсатор. При приложении к конденсатору напряжения на его обкладках появляются заряды, равные по величине и противоположные по знаку. В диэлектрике между обкладками образуется связанное с этими зарядами электрическое поле.

Ток в ёмкостном элементе определяется скоростью изменения напряжения. Ток в ёмкости является током смещения i см , представляющим собой изменяющееся во времени электрическое поле. (Природа тока смещения иная, чем у тока проводимости i пр , которого нет в диэлектрике. Лишь часть этого тока можно представить в виде смещений связанных зарядов поляризованного диэлектрика. Линии тока смещения в диэлектрике являются продолжением линий токов проводимости в обеих обкладках конденсатора).

Ёмкость характеризуется кулон-вольтной характеристикой q ( u ) .

Для нелинейной ёмкости обозначение следующее: .

Энергия электрического поля

Процесс запасения энергии как в магнитном, так и в электрическом полях является обратимым (в отличие от необратимого преобразования энергии в активном элементе). Запасённая энергия может быть отдана другим элементам.

В заключение следует сказать, что в чистом виде элементы R , L , C не встречаются, использование идеальных элементов – лишь приближённый метод исследования.

Источник

Электрический ток. Сила тока. Плотность тока. ЭДС источника тока

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Чтобы он возник, следует предварительно создать электрическое поле, под действием которого вышеупомянутые заряженные частицы придут в движение.

Первые сведения об электричестве, появившиеся много столетий назад, относились к электрическим «зарядам», полученным посредством трения. Уже в глубокой древности люди знали, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Но только в конце XVI века английский врач Джильберт подробно исследовал это явление и выяснил, что точно такими же свойствами обладают и многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, он назвал наэлектризованными. Это слово образовано от греческого электрон — «янтарь». В настоящее время мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются «заряженными».

Электрические заряды всегда возникают при тесном контакте различных веществ. Если тела твердые, то их тесному соприкосновению препятствуют микроскопические выступы и неровности, которые имеются на их поверхности. Сдавливая такие тела и притирая их друг к другу, мы сближаем их поверхности, которые без нажима соприкасались бы только в нескольких точках. В некоторых телах электрические заряды могут свободно перемещаться между различными частями, в других же это невозможно. В первом случае тела называют «проводники», а во втором — «диэлектрики, или изоляторы». Проводниками являются все металлы, водные растворы солей и кислот и др. Примерами изоляторов могут служить янтарь, кварц, эбонит и все газы, находящиеся в нормальных условиях.

Тем не менее нужно отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество. Электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Такого рода ток просуществует недолго, потому что в наэлектризованном теле кончится заряд. Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле. Для этих целей используются источники электротока. Самый простой случай возникновения электрического тока — это когда один конец провода соединен с наэлектризованным телом, а другой — с землей.

Читайте также:  Термическое действие тока проявляется в виде возникновения окислительно восстановительных реакций

Электрические цепи, подводящие ток к осветительным лампочкам и электромоторам, появились лишь после изобретения батарей, которое датируется примерно 1800 годом. После этого развитие учения об электричестве пошло так быстро, что менее чем за столетие оно стало не просто частью физики, но легло в основу новой электрической цивилизации.

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

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

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

где j плотность тока, S площадь сечения проводника.

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

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

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, не скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю (см. § 4.5). Однако, в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда.

Такое движение называется электрическим током.За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле. Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 4.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

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

1
Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I. S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле.

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током (см. § 4.16). Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю (см. § 4.4).

Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называютсясторонними силами. Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачки жидкости в замкнутой гидравлической системе.

Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток. При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В). При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю. Цепь постоянного тока можно разбить на определенные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (то есть участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными. При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе 12, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна U12 = φ1 – φ2 + 12.

Величину U12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U12 = φ1 – φ2.

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

где R = const. Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А. Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными.

Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры. Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме: IR = U12 = φ1 – φ2 + = Δφ12 + .

Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома. На рис. 4.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd) является однородным.

2
Рисунок 4.8.2. Цепь постоянного тока.

По закону Ома, IR = Δφcd.

Участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной . По закону Ома для неоднородного участка, Ir = Δφab + .

Сложив оба равенства, получим: I(R + r) = Δφcd + Δφab + .

Но Δφcd = Δφba = – Δφab. Поэтому

Эта формула выражет закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.Сопротивление r неоднородного участка на рис. 4.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока. В этом случае участок (ab) на рис. 4.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (R > R1

Это условие означает, что ток IB = Δφcd / RB, протекающий через вольтметр, много меньше тока I = Δφcd / R1, который протекает по узмеряемому участку цепи. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение. Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 4.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию RA

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Adblock
detector