Электрический ток и закон Ома

Носители электрического тока в различных средах

Среда	Носители электрического тока
Металлы	Свободные электроны
Электролиты (вещества, проводящие ток за счет диссоциации на ионы)	Положительные и отрицательные ионы
Газы	Ионы и электроны
Полупроводники	Электроны и дырки (атому не хватает одного электрона)
Вакуум	Электроны

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

Определение

Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для прохождения электрического тока.

Основные элементы электрической схемы:

• Источник питания (генератор, гальванический элемент, батарея, аккумулятор).
• Потребители тока (лампы, нагревательные элементы и другие электроприборы).
• Проводники – это части цепи, имеющие достаточный запас свободных электронов, способных двигаться под действием внешнего электрического поля. Проводники соединяют источники и потребителей электроэнергии в единую цепь.
• Ключ (выключатель, рубильник) для замыкания и размыкания цепи.

Электрическая цепь также может содержать:

• резистор — элемент электрической цепи, имеющий определенное сопротивление;
• реостат — устройство для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путем достижения необходимой величины сопротивления;
• конденсатор — устройство, способное накапливать электрический заряд и передавать его другим элементам цепи;
• средства измерения — устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи.

Определение

Электрическая цепь — это графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде символов.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Простейшая электрическая цепь содержит источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематично это можно изобразить следующим образом:

Расчет скорости направленного движения электронов

Для этого можно использовать полученную формулу:

большой I = e_{0} cdot S cdot n cdot {v}

Отсюда можно выразить скорость:

big boxed{ frac {I} {e_ {0} cdot S cdot n} = v}

Чтобы найти скорость, с которой движутся электроны в проводнике, нужно: силу тока (I) разделить на заряд (е) электрона, концентрацию (n) электронов и площадь поперечного сечения проводник (С).

Большинство соединительных проводников изготовлено из меди или алюминия. Выберем медный проводник, имеющий цилиндрическую форму.

Выбираем площадь поперечного сечения равной 1 миллиметру в квадрате:

большой S = 10^{-6} влево(текст{м}^{2}вправо)

Количество атомов в объеме — концентрация, связана с плотностью вещества (ссылка). Для меди легко вычислить концентрацию атомов. Она

большое n = 8,5 cdot 10 ^ {28} влево ( гидроразрыва { текст {кусков}} { текст {м} ^ {3}} вправо)

равна концентрации электронов.

Примечание. Каждый атом меди отдает один из своих валентных электронов и становится свободным электроном. Следовательно, количество свободных электронов в выбранном объеме меди будет равно количеству атомов в этом объеме.

Заряд электрона известен:

large e_{0} = 1,6 cdot 10^{-19} left(text{cl}right)

Предположим, что в проводнике течет ток силой 1 ампер.

Тогда скорость электронов:

large v = frac{1}{1,6 cdot 10^{-19} cdot 10^{-6} cdot 8,5 cdot 10^{28}}

большой v = 7 cdot 10^{-5} left(frac{text{m}}{c}right)

Это менее 0,1 мм в секунду.

Условия существования постоянного тока

Напомню, что ток называется постоянным, если его сила не меняется со временем.

Для обозначения постоянного тока математики используют следующие сокращенные обозначения:

большой boxed{I = const }

Для существования тока необходимо выполнение нескольких условий.

Необходимо, чтобы между противоположно заряженными телами постоянно существовало электрическое поле. Также в цепи должны присутствовать свободные носители заряда. А сама электрическая цепь должна быть замкнута.

Рассмотрим эти условия более подробно.

Направление электрического тока в металлах

Отрицательно заряженные электроны движутся по металлическим проводам, т.е ток идет от «-» к «+» истока. Направление движения электронов называется действительным. Но исторически в науке принято условное направление потока от «+» источника к «–».

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток может вызывать различные действия:

• Тепловая – электрическая энергия преобразуется в тепловую. Такую трансформацию обеспечивают электроплита, электрокамин, утюг.
• Химический — электролиты подвергаются электролизу под действием постоянного тока. Отрицательные ионы (анионы) притягиваются к положительному электроду (аноду) при электролизе, а положительные ионы (катионы) притягиваются к отрицательному электроду (катоду).
• Магнитный (электромагнитный) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е проводник с током приобретает магнитные свойства.
• Свет — электрический ток нагревает металлы до белого каления, и они начинают светиться, как вольфрамовая нить внутри лампы накаливания. Другим примером являются светодиоды, в которых свет создается излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
• Механические – параллельные проводники с текущими в одном направлении электрическими токами притягиваются, а в противоположных направлениях отталкиваются.

Проводники и диэлектрики

Одни делят мир на черное и белое, а мы делим его на проводники и диэлектрики.

• Проводники – это материалы, проводящие электричество. Металлы являются лучшими проводниками.
• Диэлектрики – это материалы, не проводящие электричество. Легкий!

Дирижеры	Диэлектрик
Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам	Воздух, дистиллированная вода, ПВХ, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухая древесина, каучук

То, что диэлектрик не проводит ток, не означает, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передачи.

В каком направлении течет ток, обозначение

Предполагается, что направление тока совпадает с направлением движения положительного заряда, от «плюса» к «минусу».

Введем понятие вектора плотности тока J→:

Формула 1

J→=n qv→,

где n — число свободно заряженных частиц;

q — электрический заряд, Кл;

v→ – скорость движения заряда, м/с.

Если ток вызван движением положительного заряда, то вектор J→ сонаправлен вектору v→, если он отрицательный, то направлен против него.

При обозначении на электрических схемах положительный вывод источника имеет вид длинной линии, отрицательный — короткой. Направление тока указано стрелкой от положительного полюса.

Добавим в схему еще одно устройство — полупроводник или полупроводниковый диод с p-n переходом и рассмотрим два способа его подключения:

1. К полупроводнику приложено внешнее напряжение, чтобы p-область приобрела положительный потенциал. Тогда сила тока электронов ie будет намного меньше силы тока дырок id — основных носителей заряда. Результирующий ток направлен из p-области в n-область и определяется по формуле.

Формула 2

i=id-т.е. Это направление называется прямым.

2. Потенциал в р-области становится отрицательным. В этом случае сила тока дырок id будет практически нулевой, через полупроводник пройдет незначительное количество электронов. Это направление называется обратным.

Читайте также: УЗО электронное или электромеханическое, что лучше

Электрический ток, его характеристики. Сопротивление. Закон Ома.

Проводники отличаются от диэлектриков наличием свободных зарядов, которые могут перемещаться по всему объему проводника.

Если изолированный проводник находится в электрическом поле 
, то на свободные заряды qi проводника будет действовать сила 
. В результате в проводнике возникает кратковременное движение свободных зарядов. Этот процесс завершится, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, не полностью компенсирует внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю.

Но в проводниках при определенных условиях может происходить непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Это движение называется электрическим током.

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.

Направление движения положительных свободных зарядов принимается за направление электрического тока.

В металлах носителями заряда являются электроны — отрицательно заряженные частицы, поэтому электрический ток в металлах всегда направлен навстречу движению электронов.

Количественной мерой электрического тока является сила тока I.

Ток – это скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, перенесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Сила тока численно равна количеству зарядов, прошедших через поперечное сечение проводника за 1 секунду.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике
I — сила тока, S — площадь поперечного сечения проводника, 
— электрическое поле.

Единицей силы тока в Международной системе единиц СИ является ампер А.

Прибор для измерения силы тока называется амперметром.

Амперметр включают последовательно с разрывом электрической цепи так, чтобы через него проходил весь измеряемый ток.

На электрических принципиальных схемах амперметр указывается 
.

Амперметр имеет некоторое внутреннее сопротивление RA. Внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

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

Кратковременный ток в проводнике можно получить, соединив этим проводником два заряженных проводящих тела, имеющих разные потенциалы. Ток в проводнике исчезнет, ​​когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать и поддерживать в нем электрическое поле в течение длительного времени.

Условия существования электрического тока:

1. Наличие свободных зарядов внутри проводника,

2. Наличие разности потенциалов на концах проводника (создание электрического поля внутри проводника)

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создается электрическим полем и при этом работает. Работа тока есть работа сил электрического поля, создающего электрический ток.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, где свободные носители заряда циркулируют по замкнутым путям. При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутому пути работа электрических сил равна нулю.

Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Когда положительный заряд единицы перемещается по определенному участку цепи, действуют как электростатические (кулоновские), так и внешние силы.

Работа электростатических сил при движении единичного заряда равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Величину U12 обычно называют напряжением на участке цепи 1–2.

Напряжение — физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, численно равная работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2.

В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U12 = φ1 — φ2

Единицей напряжения в Международной системе единиц СИ является вольт В.

Прибор для измерения напряжения называется вольтметр.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенных к клеммам. Он подключается параллельно той части цепи, на которой измеряется разность потенциалов.

На электрических принципиальных схемах амперметр указывается 
.

Каждый вольтметр имеет определенное внутреннее сопротивление RB. Чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть большим по сравнению с сопротивлением той части цепи, к которой он подключен. Поскольку внутри вольтметра не действуют внешние силы, разность потенциалов на выводах по определению совпадает с напряжением. Поэтому можно сказать, что вольтметр измеряет напряжение.

Подобно тому как трение в механике препятствует движению, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю в проводнике. Причина сопротивления: столкновение свободно движущихся зарядов с ионами в кристаллической решетке.

Величина, характеризующая сопротивление электрическому току в проводнике, обусловленное внутренней структурой проводника и хаотическим движением частиц, называется электрическим сопротивлением проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников является ом [Ом]. Резистор сопротивлением 1 Ом имеет участок цепи, где возникает ток силой 1 А при напряжении 1 В.

Электрическое сопротивление проводника зависит от размера и формы проводника, а также от материала, из которого изготовлен проводник.

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

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Величина ρ, характеризующая зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он изготовлен, и от внешних условий, называется удельным сопротивлением проводника. Оно численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2, изготовленного из этого материала. Единица удельного сопротивления в системе СИ [1 Ом*м = 1 Ом*мм2/м]

Сопротивление проводника также зависит от его состояния, а именно его температуры.

Эта зависимость выражается формулой 
или же 

α – температурный коэффициент сопротивления. Для всех чистых металлов .

При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении — уменьшается.

Закон Ома для участка цепи.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 г экспериментально установил, что сила тока I, протекающего по однородному металлическому проводнику (т е проводнику, на который не действуют никакие внешние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводник с электрическим сопротивлением называется резистором.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными.

Графическая зависимость тока I от напряжения U называется вольт-амперной характеристикой (сокращенно ВАХ). Он представлен прямой линией, проходящей через начало координат.

По вольт-амперной характеристике проводника можно судить о сопротивлении: чем больше угол наклона графика к оси напряжения, тем меньше сопротивление проводника.

Детали просмотров: 19379

Вопросы к экзамену

дисциплина ФИЗИКА (см)

Для студентов всех групп технического профиля Новороссийского строительно-экономического колледжа (НКСЭ)

Список лекций по физике на 1,2 семестр

Основные параметры постоянного тока

Определение

Постоянный ток – это электрический ток, величина и направление которого не меняются во времени.

Основными параметрами электрического тока являются:

• Сила тока. Обозначается как I. Единицей измерения является A (Amp).
• Напряжение. Обозначается как U. Единицей измерения является V (Вольт).
• Сопротивление. Обозначается как R. Единицей измерения является Ом.

Сила тока

Сила тока показывает, какое количество заряда q проходит через сечение проводника за 1 секунду:

I=qt..=ΔqΔt..=Nqet.

N — число электронов, qe=1,6·10−19 Кл — заряд электрона, t — время (с).

Заряд, прошедший через проводник за время t при токе, равном I:

q=Это

Пример №1. Источник тока был подключен к двум пластинам, смоченным в растворе поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 мин?

2 минуты = 120 секунд

q=It=0,2·120=24 (С)

Заряд, проходящий за время ∆t при равномерном изменении силы тока от I1 до I2:

∆q=I1+I22..∆t

Сила тока и скорость движения электронов:

I=nqeAns

n — (м-3) — концентрация, S (м2) — площадь поперечного сечения проводника, v — скорость электронов.

Обратите внимание на следующее!

Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙108 м/с.

Сопротивление

Сопротивление металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов в кристаллической решетке на движение свободных электронов:

R=ρlS..

ρ — удельное сопротивление, которое показывает, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2, изготовленный из определенного материала, l — длина проводника (м), S — площадь поперечного сечения раздел.

Пример №2. Медный провод имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Каково электрическое сопротивление медного провода, длина которого в 2 раза больше, а площадь поперечного сечения в 3 раза больше?

Сопротивления первого и второго проводника соответственно:

R1=ρlS..

R2=ρ2l3S..

Разделите электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

R2R1..=ρ2l3S..÷ρlS..=ρ2l3S.. Sρl..=23..

Следовательно, сопротивление второго проводника равно:

R2=23..R1

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

U=водн.

Пример №3. При перемещении заряда в первом проводнике электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении того же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U1/U2 напряжений на концах первый и другие менеджеры.

U1U2..=A1q..÷A2q..=A1q qA2..=A1A2..=2040..=12..

Почему надо знать историю физических открытий

Многие ученые пытались объяснить природу электрических явлений задолго до открытия электрона (1897 г.). Впервые к пониманию существования двух видов зарядов – положительного и отрицательного – пришел американский физик Бенджамин Франклин в 1747 году.

На основании своих наблюдений он предположил (выдвинул гипотезу), что существует некий «электрический» материя», состоящая из маленьких невидимых частиц. Он же первым ввел обозначения электрических зарядов «-» и «+». Франклин предположил, что если тело наполнено электрическим веществом, то оно заряжено положительно, а если оно теряет электричество, оно заряжено отрицательно.

При замыкании (соединении) цепи положительный заряд потечет туда, где его нет, т.е в «минус». Эта плодотворная гипотеза стала популярной, получила признание ученых и вошла в справочники и учебные пособия.

Конечно, после открытия отрицательно заряженного электрона обнаружилось это «несоответствие» реального направления движения общепринятому ранее. Однако мировое научное сообщество решило отказаться от прежней формулировки направления тока, так как в большинстве практических случаев это ни на что не влияет.

При необходимости для объяснения отдельных физических эффектов в полупроводниках и искусственных материалах (гетероструктурах) учитывается текущее направление движения электронов.

Бенджамин Франклин также известен как выдающийся политик, дипломат и писатель. Он является одним из авторов Конституции США. В знак признания заслуг Франклина на 100-долларовой купюре с 1914 года изображен его портрет.

Рис. 3. Изображение купюры в 100 долларов США с портретом Бенджамина Франклина.

Движение частиц в различных проводниках

Электрический ток может возникать не только в металлах, но и в других веществах. При этом они могут находиться в разных агрегатных состояниях. Чтобы лучше понять предмет, стоит указать на движение электричества в жидкостях, газах и твердых телах:

• Металлы имеют большое количество свободных электронов, которые являются основным источником электрического тока.
• Электролиты – это жидкости, способные проводить электричество. К этой группе проводников относятся растворы солей, кислот, щелочей. Попадая в воду, молекулы всех этих веществ делятся на ионы — заряженные отдельные атомы или их группы. Ионы могут быть положительными (катионы) и отрицательными (анионы). Именно из-за их направленного движения в растворах возникает электрический ток.
• В плазме и газах электрический ток вызывает движение положительных ионов и электронов, имеющих отрицательный заряд.
• В вакууме ток возникает за счет электронов, вылетевших с поверхности металла.

Ток, возникающий в результате движения заряженных частиц внутри тел по отношению к определенной среде, называется током электропроводности.

Существует также определение электрического конвекционного тока, который представляет собой движение макроскопических частиц. Примером конвекционного течения являются капли дождя во время удара молнии.

 

Скорость направленного движения зарядов

Когда мы включаем свет в комнате, лампочка как будто сразу загорается. Скорость распространения тока по проводам очень высока: она близка км/с (скорость света в вакууме). Если бы лампочка была на Луне, она зажглась бы всего за секунду.

Однако не стоит полагать, что свободные сборы, составляющие сегодняшний день, передвигаются с такой великолепной скоростью. Оказывается, их скорость составляет всего доли миллиметра в секунду.

Почему ток течет по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют между собой, и под действием электрического поля источника тока при замыкании цепи начинают двигаться почти одновременно по всему проводнику. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами и она близка к скорости света в вакууме. Скорость, с которой движутся сами заряды внутри проводника, может быть на много порядков меньше..

Определение направления тока буравчиком

Как упоминалось выше, направление потока можно определить на основе PB.
Это делается следующим образом:

1. Ваша правая рука возьмет дирижера;
2. После этого нужно выпятить четыре пальца в направлении линий индукции магнитного поля;
3. Тогда ваш большой палец, поднятый вверх, укажет направление электрического тока.

Довольно удобное пошаговое руководство, не так ли?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кроме того, переформулировав наше утверждение, мы можем определить направление вектора магнитной индукции, что более подробно будет рассмотрено в разделе ниже.

Как найти направление тока, формула, правило буравчика

Магнитное поле, возникающее при протекании электрического тока в проводнике, характеризуется магнитной индукцией В→.

Величина индукции, возникшей под действием постоянного тока, определяется законом Био-Савара-Лапласа. Формула в векторной форме для элемента ∆l проводника с током I:

Формула 4

ΔB→=µ04π I Δl→×r→r3,

где ΔB→ — индукция, создаваемая за время, Тл;

r→ – радиус-вектор, проведенный из элемента ∆l в точку, где необходимо найти индукцию, м;

µ0 – магнитная постоянная, равная 4π·10-7Гн/м.

запись закона в скалярной форме будет зависеть от формы проводника (прямой провод, соленоид и т д).

Направления компонент векторного произведения можно определить по правилу буравчика.

Правило 1

Правило буравчика для элемента выноски. Направление вектора B в данной точке совпадет с поступательным движением ручки буравчика, если буравчик повернуть в направлении наименьшего угла от вектора ∆l→ к вектору r→.

Из правила буравчика можно сделать вывод, что вектор В всегда лежит в плоскости, перпендикулярной направлению тока.

Когда по проводнику течет ток, линии индукции В охватывают проводник, сформулируем для этого случая правило буравчика и правило правой руки.

Правило 2

Правило Гимлета для проводника с током. Выпрямите буравчик таким образом, чтобы направление вращения совпадало с направлением силовых линий магнитного поля, когда вы совершаете оборот. Направление потока в этом случае будет совпадать с поступательным движением буравчика.

Правило 3

Правило правой руки. Ладонь правой руки накрывает проводник так, чтобы четыре пальца совпадали с силовыми линиями магнитного поля. Согнутый большой палец укажет направление движения зарядов.

Источник: i2.wp.com

В соленоиде направление линий магнитного поля и тока также определяется правилом буравчика: если ток в витках направлен по часовой стрелке, то вектор В направлен вниз, если против часовой стрелки, то вверх.