- Наличие свободных носителей заряда для существования тока
- Как создать длительный ток и что для этого необходимо
- Основные понятия
- Сила и тип тока
- Разность потенциалов
- Что такое электрический ток? Условия существования электрического тока: характеристики и действия
- Терминология
- Закон Ома для участка цепи
- Зачем нужен электрический ток?
- Механизм осуществления постоянного тока
- Прямой и переменный ток
- Что такое ток, напряжение и сопротивление
- Связь между силой тока и скоростью движения зарядов
- Электрическая цепь и ее схематическое изображение
- Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи
- Условия получения и законы
- Проводимость веществ
- Что такое 1 Ампер в системе СИ
- Один Ампер – много это, или мало
Наличие свободных носителей заряда для существования тока
Все, что нас окружает, состоит из крошечных частиц, называемых молекулами. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов, а атомы состоят из еще более мелких протонов, нейтронов и электронов. Протон и нейтрон — тяжеловесы микромира. Каждая такая частица в триллионы раз легче песчинки, но при этом почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Помимо массы, протон и электрон обладают еще и электрическим зарядом одинаковой силы, но разного знака. У протона знак плюс, а у электрона знак минус. Нейтрон не имеет электрического заряда.
Строение атома:
Количество электрического заряда q, положительного или отрицательного, измеряется в кулонах (Кл). Для справки, 1 Кл равен общему заряду 6 280 000 000 000 000 000 (6,28 × 1818) электронов или протонов вместе взятых.
По закону Кулона одноименные заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются. Для объяснения столь дальнодействующего действия зарядов предполагается, что каждый из них создает вокруг себя электрическое поле. Выделим основные примеры такого взаимодействия в электрическом поле:
а) Радиальное электрическое поле от положительного заряда. Векторы напряженности электрического поля Е от положительного заряда радиально расходятся. На положительный заряд (+q2) поле действует силой F, совпадающей с вектором напряженности Е, на отрицательный заряд (-q3) — силой, направленной противоположно этому вектору. | ![]() |
б) Радиальное электрическое поле от отрицательного заряда. Векторы напряженности электрического поля Е сходятся радиально к отрицательному заряду. | |
в) Электрическое поле, напряженность которого одинакова по величине и направлению в любой точке пространства, называется равномерным (однородным) электрическим полем (примером может служить электрическое поле между двумя противоположно заряженными плоскими металлическими пластинами). В таком поле векторы напряженности E параллельны друг другу. Свободные носители заряда движутся в поле под действием сил F: носители положительного заряда (+q) — в направлении поля E, носители отрицательного заряда (-q) — в противоположном направлении. Точки 1 и 2 в поле соответствуют потенциалам φ1 и φ2. Напряжение между точками представляет собой разность потенциалов (φ1-φ2). Другими словами, напряжение — это отношение работы, выполненной для переноса заряда между точками, к самому заряду. |
Вернемся к строению атома и определим свободные носители заряда для существования тока. У нас есть изолированные электроны и протоны. Эти заряженные частицы являются основой для протекания тока в металлах (проводах). И необходимо выделить некоторые важные особенности.
Когда мы рассматриваем стандартную цепь из источника тока, потребителя и соединительных проводов, металлы являются средой для прохождения зарядов. И здесь, несмотря на взаимодействие между электронами и протонами, только свободные электроны являются основными движущимися в направлении зарядами. Протоны не участвуют в упорядоченном движении, а скорее, если это можно так назвать, замедляют движение электронов. Здесь уместно перейти к понятию сопротивления в проводнике и рассмотреть такой тип атома, как ион.
Причина, по которой проводник имеет сопротивление, заключается в том, что ионы в кристаллической решетке препятствуют направленному движению в нем электрических зарядов.
Атом с недостающими электронами (избыток протонов) называется положительным ионом (частица, имеющая суммарный положительный заряд). Атом с избытком электронов ведет себя как частица с суммарным отрицательным зарядом, и такой атом называется отрицательным ионом. Металлы — это химические элементы, атомы которых отдают электроны со своих внешних электронных оболочек, превращаясь в положительные ионы.
Кристаллическая решетка металлов:
Металлы – это твердые тела, имеющие кристаллическую структуру. В элементарной кристаллической ячейке решетки положительно заряженные ионы располагаются в условных узлах и на гранях. Они удерживаются вместе металлическими связями, возникающими из-за хаотического движения электронов, отделенных от атомов.
Закрепим материал. Одним из условий существования электричества является наличие свободных электрических зарядов. В металлах в качестве этих зарядов выступают отделенные свободные электроны. Электролиты содержат положительные и отрицательные ионы. В газах есть электроны и положительные ионы. В полупроводниках есть электроны и дырки. В вакууме — любые заряженные частицы (чаще — электроны). Далее в обзоре в качестве проводников мы будем рассматривать самые распространенные проводники электрического тока – металлы.
Как создать длительный ток и что для этого необходимо
Положительный заряд — это недостаток электронов, а отрицательный — их избыток. В тот момент, когда тела соединялись с проводником, к положительно заряженному телу устремлялись отрицательные электроны.
И, наконец, ток прекратился, потому что заряды тел компенсировались и тела стали электрически нейтральными. Мы знаем, что нейтральные тела не создают электрического поля.
Это означает, что ток существует до тех пор, пока существует электрическое поле. Поэтому необходимо как-то поддерживать электрическое поле. А для этого необходимо, чтобы одно из тел имело избыточный отрицательный заряд. То есть на одном из тел необходимо поддерживать отрицательный заряд, а на другом положительный заряд. Пока сохраняются заряды тел, ток будет существовать.
Чтобы сохранить этот заряд на теле с положительным зарядом, необходимо отобрать прилетевшие туда электроны от этого тела и направить их обратно к отрицательно заряженному телу.
Такая схема по своей конструкции напоминает фонтан, где насос поддерживает перепад давления. В трубе, нагнетающей воду, давление больше, чем в трубе, по которой вода течет обратно к насосу.
Именно благодаря этой разнице вода вырывается из одной трубы вверх, а вода, собранная в чаше, возвращается обратно к насосу. При этом по контуру циркулирует такое же количество воды, т.е водяной контур замкнут. А подачу воды в этом контуре поддерживает специальное устройство – насос. Работает против гравитации.
Основные понятия
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которому может генерироваться электромагнитное поле. К заряженным частицам относятся следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, но участвует в формировании электромагнитного поля.
Кроме того, есть такие, кто не знает, почему электрический ток является векторной величиной. Это утверждение следует из определения, так как оно имеет направление. В некоторых источниках можно встретить следующее определение: электрический ток – это скорость, с которой заряды элементарных частиц меняются в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разницей потенциалов). Свойства, которыми обладает электрический ток: тепловые, механические, химические и образование электромагнитного поля.
Сила и тип тока
Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник в единицу времени, равную одной секунде. Проводящие материалы делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники – это вещества, которые способны проводить электричество, потому что у них есть свободные электроны. Их наличие можно определить по таблице Д. И. Менделеева, используя электронную конфигурацию химического элемента.
Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, который проводит ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки. В диэлектриках вообще нет носителей заряда, поэтому этот факт исключает проведение электричества вообще.
Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). 1А — единица измерения силы постоянного тока, проходящего через два проводника бесконечной длины и очень малой площади поперечного сечения, которые параллельны друг другу и помещены в вакуумное пространство на расстоянии одного метра друг от друга , и каждый метр такого проводника может вызвать силу взаимодействия, равную 2*10^(-7) Н.
Упрощенный вариант формулировки таков: сила электрического тока, при которой количество электричества Q проходит через площадь поперечного сечения проводника в единицу времени t, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q/t.
Есть вспомогательные единицы измерения, к которым относятся мА (0,001 А), кА (1000 А) и т.д.
Значение тока измеряется с помощью амперметра, который включается последовательно в цепь. Существует всего два вида электрического тока: постоянный ток и переменный ток. Если ток остается постоянным или изменяется по величине без изменения направления, он называется постоянным.
Переменный ток изменяет амплитуду и направление течения по некоторому закону. Основной характеристикой является частота.
По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первое изменение по гармоническому закону и его графику является синусоидальным. Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение мощностной характеристики Im, время t и угловую частоту w = 2*3,1416*f (частота тока источника питания): i=Im*sin(w*t). Другой величиной, характеризующей электрический ток, является напряжение или разность потенциалов.
Разность потенциалов
Всякое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро имеет положительный заряд, вокруг него по своим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Атомы нейтральны, потому что количество электронов равно количеству протонов в ядре.
Когда атомы теряют электроны, протоны создают электромагнитное поле, пытаясь вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине возникает избыток электронов, образуется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и втором случае формируются соответственно положительный и отрицательный потенциалы. Разность между ними называется напряжением или разностью потенциалов.
Величина разницы прямо пропорциональна значению напряжения: по мере увеличения разницы значение напряжения увеличивается. При соединении между собой потенциалов разных знаков возникает электрический ток, который пытается устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.
Электрическое напряжение — это работа, совершаемая электромагнитным полем для перемещения точечного заряда. Единицей измерения напряжения является вольт (В), а значение можно измерить с помощью вольтметра. Его подключают параллельно месту или электроприбору, где необходимо измерить разность потенциалов. 1 В – это разность потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, на которые действует сила электромагнитного поля, равная 1 Дж.
Что такое электрический ток? Условия существования электрического тока: характеристики и действия
Электрический ток – это электрический заряд в движении. Это может быть внезапный разряд статического электричества, например, молния. Или это может быть контролируемый процесс в генераторах, батареях, солнечных элементах или топливных элементах. Сегодня мы рассмотрим само понятие «электрический ток» и условия существования электрического тока.
Терминология
Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем в виду разнообразные проявления электричества.
По проводам высоковольтных линий течет ток, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы это тоже электрический ток. Электроэпиляция, электросварка, искры статического электричества на гребенке, через катушку лампы накаливания течет ток, и даже в маленьком фонарике через светодиод течет небольшой ток. Что уж говорить о нашем сердце, которое тоже вырабатывает небольшой электрический ток, особенно это заметно при процедуре ЭКГ.
Переменное магнитное поле
В физике принято называть электрическим током упорядоченное движение заряженных частиц и, в принципе, любых носителей электрического заряда. Электрон, движущийся вокруг ядра атома, также является током. А заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону, тоже станет источником тока: есть ненулевой заряд и она движется.
Физические аналогии между потоком воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод.
По проводам бытовых электроприборов, питаемых от розетки, течет ток — электроны движутся туда-сюда 50 раз в секунду — это называется переменным током. Высокочастотные сигналы внутри электронных устройств также представляют собой электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри цепи. Любой электрический ток создает магнитное поле самим своим существованием. Он обязательно присутствует вокруг живого проводника. Нет магнитного поля без тока и нет тока без магнитного поля.
Хотя магнитного поля вокруг тока нет, это означает лишь то, что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно компенсируются, как и в двухпроводном проводе в любом чайнике — переменные токи направлены в противоположные стороны при каждый момент и поток параллельны друг другу — их магнитные поля различны, другой нейтрализуется. Это называется принципом суперпозиции (суперпозиции) магнитных полей.
На практике для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциала или вихря.
Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим путем (как, например, в генераторе Ван-де-Граафа с помощью наэлектризованной резиновой ленты). В электрическом поле на заряженную частицу действует электрическая сила, которая для источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах, точно так же, как напряжение между двумя точками в электрической цепи. Чем больше напряжение, подводимое к потребителю, тем больший электрический ток может вызвать это напряжение.
Магнитное поле от электрического разряда
Переменное напряжение порождает переменный ток в проводнике, к которому оно приложено, так как электрическое поле, приложенное к носителям заряда, в этом случае также будет переменным. Постоянное напряжение является условием существования постоянного тока в проводнике.
Высокочастотное напряжение (меняющее направление сотни тысяч раз в секунду) также способствует возникновению переменного тока в проводниках, но чем выше частота, тем меньше носителей заряда участвует в создании тока в толще проводника, так как электрическое поле, действующее на заряженные частицы, смещается ближе к поверхности, и получается, что ток течет не в проводнике, а по поверхности. Это называется скин-эффектом.
Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда, постоянного тока в диэлектриках быть не может, так как заряды в них не имеют возможности свободно перемещаться, а могут лишь перемещаться на внутримолекулярное расстояние от своего исходного положения под действием приложенного электрического поля.
Реальный электрический ток всегда предполагает возможность свободного движения электрических зарядов под действием электрического поля. См. — условия существования электрического тока. В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение «свободных» электронов, причем электроны движутся в направлении, противоположном условному направлению тока (поскольку направление тока принято считать направлением движения заряда).
Электрический ток в газах — это движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) — в другом. Наконец, электрический ток в электролитах — это движение положительных и отрицательных ионов, существующих в жидкости, в противоположных направлениях. Сила электрического тока — количество электричества, прошедшего через все сечение тока за 1 секунду, зависит с одной стороны от числа движущихся зарядов, а с другой от средней скорости их обычного движения.
В металлических проводниках число движущихся зарядов (свободных электронов) чрезвычайно велико (порядка 1023 в 1 см3), но средняя скорость обычного движения очень мала (при самых сильных токах, которые может выдержать проводник, эта средняя скорость имеет значение порядка одного сантиметра в секунду). Вообще говоря, число движущихся зарядов в жидкостях несколько меньше, и, следовательно, их средние скорости несколько выше.
В газах из-за их гораздо меньшей плотности и из-за того, что ионизированной оказывается лишь малая часть всех молекул газа, число движущихся зарядов гораздо меньше, но, с другой стороны, средняя скорость электронов и ионов значительно выше, чем в металлических проводниках, достигая сотен и даже тысяч километров в секунду. Понятие «электрический ток» ввел итальянский физик Алессандро Вольта. Электрический ток, или по версии, «электрическая жидкость» протекал по замкнутому контуру, соединяющему крайние витки вольтова столба с металлическим проводником.
Читайте также: Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы
«Вольтовая колонна» (1800 г.) была первым источником электричества неэлектростатического типа (источник постоянного электрического тока), который состоял из чередующихся медных и цинковых кружков, разделенных тканевыми прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой. Существование постоянного высокого потенциала на Вольтовом столбе было для того времени совершенно новым явлением. Это был первый химический источник электричества, потенциал которого был постоянным во времени и не требовал никаких методов электрификации для его возобновления.
Вольтов столб, составленный из большого числа окружностей, имел на концах достаточно высокий потенциал, который можно было обнаружить не только измерительными приборами (особенно электроскопом), но и касанием крайних окружностей руками.
При этом ощущался мощный удар током, словно от лейденской банки. Открытие Вольта очень быстро распространилось в физике и стало предметом дальнейших исследований. В 1800 году физики открыли с помощью вольтова столба электрохимическое действие тока и, в частности, разложение под действием потока воды на кислород и водород. Опыты с гальваническими элементами позволили обнаружить, помимо химических, и другие новые свойства тока, в том числе его тепловое и магнитное действие.
Изучению связи между электрическим током и магнетизмом посвятил ряд своих работ французский физик А. М. Ампер. Он обнаружил, что два проводника с током испытывают взаимное действие — притяжение или отталкивание, в зависимости от направления токов в них. Своими работами он заложил основы электродинамики. Он предложил термин «электрический ток» и ввел понятие направления, совпадающего с движением положительного электричества. В честь А. М. Ампера названа единица измерения электрического тока. Ампер — одна из семи основных единиц системы СИ.
Электрический ток обладает рядом свойств, которые можно эффективно использовать во многих практических случаях. К этим свойствам относятся преобразование простыми техническими средствами энергии электрического тока в энергию других видов (тепловую, световую, механическую, химическую) и возможность передачи ее на большие расстояния, скорость распространения.
Закон Ома для участка цепи
Ток в участке цепи прямо пропорционален напряжению на концах этого участка и обратно пропорционален сопротивлению:
Иллюстрация к закону Ома.
Сила тока направлена на движение заряженных частиц (электронов). Силе тока противодействует сопротивление: чем оно больше, тем меньше сила тока (тем меньше электронов проходит через проводник в единицу времени). Но росту тока способствует напряжение, которое как бы толкает заряженные частицы, заставляя их двигаться упорядоченно.
Закон Ома для участка цепи с учетом формулы расчета сопротивления:
Для сравнения и расчета сопротивления часто используют вольт-амперную характеристику. Так называют графическое представление зависимости напряжения от тока. Пример вольт-амперной характеристики:
Чем круче график, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения величин, указанных на осях.
Пример №4. На рисунке показан график зависимости тока от напряжения на части телевизора. Каково сопротивление этой детали:
Точка графика, соответствующая 5 кВ, соответствует току 20 мА.
Сначала переведем единицы измерения в СИ:
Р=УИ. = 5000 0 . 02 . = 250000 (О м) = 250 (к О м)
При определении сопротивления резистора студент измерил напряжение на нем: U = (4,6 ± 0,2) В. Ток через резистор был измерен настолько точно, что погрешностью можно пренебречь: I = 0,500 А. По результатам из этих измерений можно сделать вывод, что значение сопротивления, скорее всего
Зачем нужен электрический ток?
Электричество можно использовать по-разному: оно может освещать ваш дом, стирать и сушить одежду, открывать дверь гаража, кипятить воду в чайнике и питать другие предметы домашнего обихода, которые делают нашу жизнь намного проще. Однако способность тока передавать информацию становится все более важной.
При подключении к Интернету компьютер использует лишь небольшую часть электрического тока, но это то, без чего современный человек не представляет своей жизни.
Механизм осуществления постоянного тока
Для постоянного прохождения тока в проводнике к проводнику следует подключить устройство или их комбинацию, где постоянно происходит процесс разделения электрических зарядов для поддержания напряжения в цепи. Этот механизм называется источником питания (генератором).
Силы, разделяющие заряды, называются силами. Для них характерно неэлектрическое происхождение, они действуют внутри источника. Когда заряды разделены, внешние силы способны создать разность потенциалов между концами цепи.
Если электрический заряд движется по замкнутой цепи, работа электростатических сил равна нулю. Отсюда следует, что полная работа сил А, действующих на заряд, равна работе внешней Аст. Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется так:
ε=Aq (1), где значение q подразумевает положительный заряд. Движение происходит по замкнутому циклу. ЭМП не является силой. Единица измерения ε=B.
Природа внешних сил иная. В гальваническом элементе они являются результатом электрохимических процессов. В машине постоянного тока этой силой является сила Лоренца.
Прямой и переменный ток
Сегодня широко используются два различных вида электричества – постоянный ток и переменный ток. В первом электроны движутся в одном направлении, с «отрицательной» стороны на «положительную». Переменный ток толкает электроны вперед и назад, меняя направление потока несколько раз в секунду.
Генераторы, используемые на электростанциях для производства электроэнергии, предназначены для выработки переменного тока. Вы, вероятно, никогда не замечали, что огни в вашем доме на самом деле мерцают, когда текущее направление меняется, но это происходит слишком быстро, чтобы ваши глаза могли это заметить.
Каковы условия существования постоянного тока? Зачем нужны оба типа и какой из них лучше? Это хорошие вопросы. Тот факт, что мы все еще используем оба типа электричества, предполагает, что они оба служат определенным целям. Еще в XIX веке было ясно, что эффективная передача электроэнергии на большие расстояния между электростанцией и домом возможна только при очень высоких напряжениях. Но проблема была в том, что посылка очень высокого напряжения была крайне опасна для людей.
Решение этой проблемы заключалось в снижении стресса вне дома до его подачи. По сей день постоянный ток используется для передачи на большие расстояния, в основном из-за его способности легко преобразовываться в другие напряжения.
Что такое ток, напряжение и сопротивление
Электрический ток (I) – это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая возникает из школьного курса физики, — это движение электронов. Несомненно. Однако не только они могут нести электрический заряд, но и, например, ионы, определяющие наличие электрического тока в жидкостях и газах. Я бы также предостерег от сравнения потока с потоком воды через шланг. (Хотя при рассмотрении закона Кирхгофа такая аналогия была бы уместна). Если каждая конкретная частица воды совершает путь от начала до конца, то носитель электрического тока этого не делает.
Если вам действительно нужна видимость, приведу пример переполненного автобуса, когда кто-то на остановке протискивается в заднюю дверь, в результате чего менее удачливый пассажир выпадает из передней двери. Условиями возникновения и существования электрического тока являются:
- Наличие бесплатных перевозчиков
- Наличие электрического поля, создающего и поддерживающего ток.
Будем считать, что к настоящему времени вы знаете все об электрическом токе. Это конечно шутка. При этом ничего не сказано об электрическом поле, которое многие связывают с напряжением, что не соответствует действительности. Электрическое поле — это тип материи, которая существует вокруг электрически заряженных тел и действует на них с силой. Опять же, ссылаясь на слова школьного друга «одинаковые заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются», можно представить себе электрическое поле как нечто, передающее этот эффект.
Это поле, как и все другие, нельзя ощутить непосредственно, но такова его количественная характеристика — напряженность электрического поля.
Существует множество формул, описывающих связь между электрическим полем и другими электрическими величинами и параметрами. Я ограничусь одним, сведенным к примитиву: E=Δφ. Здесь:
- E – напряженность электрического поля. В общем, это векторная величина, но я упростил все до скаляра.
- Δφ=φ1-φ2 – разность потенциалов (рис. 1).
Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо как-то создать. Известные опыты с электризацией гребня, натиранием тряпкой эбонитовой палочки, вращением ручки электростатической машины неприемлемы на практике по вполне понятным причинам.
Электроэпиляция в домашних условиях
Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечить разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одним из них является всем известный аккумулятор), называемый источником электродвижущей силы (ЭДС), который обозначается следующим образом: ε. Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают внешние силы при перемещении единичного заряда, но для получения первого представления о том, что такое электрический ток, напряжение и сопротивление, нам не нужна детальная оценка этих процессов в интегральных и других одинаково сложные формы.
Связь между силой тока и скоростью движения зарядов
Рассмотрим металлический проводник. Выделим в нем мысленно два участка площадью (large S) на некотором расстоянии (large Delta x) друг от друга. Секции размещаются поперек проводника.
В металлах электрический ток генерируется электронами. Введите (large e_{0}) заряд каждого электрона.
Заряды в проводнике под действием электрического поля напряженностью (large vec{E}) будут двигаться в одном направлении, от участка к участку.
В этом случае они пройдут путь (large Delta x) между двумя секциями.
Если ток постоянный, скорость зарядов не изменится.
В этом случае расстояние (large Delta x) и скорость (large v) электронов будут связаны формулой равномерного движения.
(large Delta x left(text{m}right) ) – расстояние между двумя поперечными сечениями;
(large v left(frac{text{m}}{c}right) ) — скорость, с которой заряды движутся в проводнике в одном направлении; Эта скорость намного меньше скорости теплового движения.
(large Delta t left(c right) ) — интервал времени, за который проходит расстояние (large Delta x) между двумя поперечными сечениями.
Теперь можно утверждать, что
- чем больше зарядов может поместиться в объеме,
- тем быстрее они движутся в одном направлении
- и чем толще проводник (больше площадь поперечного сечения).
Электрическая цепь и ее схематическое изображение
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:
Условия получения и законы
Электрический ток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник. Но верно и обратное утверждение, доказывающее существование электрического поля в результате действия тока. Важными условиями получения являются следующие факторы: наличие свободных электронов и источник напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, помогающей «вытягивать» эти частицы из кристаллической решетки.
Проводимость веществ
Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре по проводнику происходит движение атомов, часть из них распадается и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействуют с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепло. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника. Это зависит от следующих компонентов:
- Температура.
- Тип ткани.
- Длины проводников.
- Площади поперечного сечения.
Вам будет интересна физика и последствия поражения электрическим током
При понижении температуры вещества его сопротивление уменьшается. Зависимость от вида вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Между собой они образуют кристаллическую решетку, причем для каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, поэтому отличается от других наличием носителей заряда.
Кроме того, потоку заряженных частиц труднее пройти через длинный проводник с малой величиной площади его поперечного сечения.
Электролит или жидкость, проводящая электричество, также является проводником. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые заряжены положительно (анионы) и отрицательно (катионы). Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Движение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы движутся к аноду, а анионы — к катоду.
При протекании тока через электролит он нагревается, в результате чего увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы также способны проводить электричество. Носителями заряда в них являются ионы и электроны, а сам «заряженный газ» называется плазмой.
Электричество в полупроводниках подчиняется тем же законам, что и в проводниках, но есть некоторые отличия. Электроны и дырки могут представлять в них носители заряда. При понижении температуры сопротивление увеличивается. При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а на месте, где они были, образуется дырка. Однако он притягивает другой электрон, находящийся поблизости. Вот как двигаются дыры.
Следовательно, сумма дырки и электромагнитного поля электрона образует электрический ток.
Что такое 1 Ампер в системе СИ
Сила тока в 1 ампер определялась в системе СИ по силе взаимного действия двух проводников с током.
Рассмотрим два тонких проводника. Каждый проводник имеет бесконечную длину. Разместим их в вакууме параллельно на расстоянии 1 метра друг от друга.
Выберем на каждый проводник кусок длиной 1 метр.
Если проводники взаимодействуют с силой (large 2 cdot 10^{-7}) ньютонов на метр их длины, то по каждому из них протекает постоянный ток силой 1 Ампер.
Ампер является базовой единицей в системе СИ. А кулоновский заряд — это величина, определяемая с помощью Ампера.
1 кулон – это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника с силой тока 1 ампер.
Один Ампер – много это, или мало
1 ампер — это 1 кулон, деленный на 1 секунду. Для большинства электробытовых приборов это достаточно большая сила тока.
Например, через энергосберегающие лампы протекают токи 0,04 — 0,08 Ампер.
Большой плоский телевизор от электросети потребляет ток 0,2 Ампера.
Лампа накаливания около 0,5 Ампера.
Как видите, в большинстве электроприборов используется ток менее одного ампера.
Поэтому для тока часто используют дольные единицы измерения:
миллиампер, микроампер и наноампер:
1 мА (миллиампер) = 10⁻³ А
1 мкА (микроампер) = 10⁻⁶ А
1 нА (наноампер) = 10⁻9 А
Ток зарядки аккумулятора мобильного телефона может достигать 2 ампер.
А через электронагреватель, или чайник, протекает ток до 10 ампер.
Примечание. Ток всего 0,05 А может быть смертельным. Будьте осторожны с электричеством!
При этом используются и токи, превышающие сотни ампер. Например, на промышленных электростанциях.
Для таких токов используют несколько единиц: килоампер, мегаампер.
1КА (килоампер) = 10³ А
1 МА (мегаамперы) = 10⁶ А