Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Конвекционным током называют движение зарядов, связанное с перемещением заряженных тел в пространстве.Ток проводимости в веществе осуществляется свободными зарядами (носителями тока) - электронами в металлах, электронами и дырками в полупроводниках, ионами в электролитах. За направление тока принимается направление упорядоченного движения положительных зарядов. Электрический ток называется постоянным, если упорядоченное движение носителей тока стационарно. Линиями тока называют геометрические линии, касательные, в каждой точке которых совпадают со скоростью упорядоченного движения носителей.
Заряд, протекающий за время
через
элементарную площадку
внутри проводника в направлении нормали
,
определяется средней скоростью свободных
зарядов
(дрейфовой
скоростью) выражением:
где
-
заряд одного носителя тока,
-
их концентрация, а
- плотность тока
.Силой тока
называется заряд, проходящий через
сечение проводника в единицу времени:
,
где интегрирование проводится по
поперечному сечению. Электрический ток
называется постоянным, если
.
Изменение заряда внутри произвольной
замкнутой поверхности равно
.
В локальной форме это соотношение,
выражающее закон сохранения электрического
заряда, принимает вид
.
Для постоянного тока
=
0, т.е. линии тока непрерывны.
Упражнение 1
Может ли стационарная плотность тока описывать распределение постоянного тока.
Ответ.
Для постоянного тока условие=
0 должно выполняться для любой замкнутой
поверхности, или в локальной форме
.
В нашем случае
=и стационарное распределение плотности
тока
не
соответствует постоянному току.
Закон Ома в локальной форме.
Для поддержания тока в веществе на
свободные заряды, из-за наличия
сопротивления их движению, должна
действовать постоянная сила
не
электростатической природы, которую
можно характеризовать напряженностью
.
Если такая сила исчезает, то практически
мгновенно упорядоченное движение
зарядов прекращается. Не смотря на то,
что при протекании тока на каждый
носитель действует сила, скорость
упорядоченного движения (дрейфовая
скорость) из-за действия механизма
сопротивления остается постоянной и
мощность, развиваемая этой силой
,
выделяется в форме тепловой энергии
.
При не очень больших значениях величины
плотность тока в изотропных проводниках,
как следует из опыта, пропорциональна:
,
где
-удельная электропроводность вещества
,
-удельное сопротивление
. Из закона
сохранения заряда следует, что если в
однородном проводнике
плотность распределения заряда не
меняется,
,
то линии напряженности непрерывны, а
сами заряды могут находиться только на
поверхности проводника, т.к. (
.
Закон Ома для однородного участка проводника.
Если на участке цепи протекание тока
обеспечивается только электростатическим
(т.е. кулоновским) полем
,
то такой участок называетсяоднородным
и электрическое поле может быть описано
распределением потенциала
.
При этом сила тока на однородном участке
проводника пропорциональна разности
потенциалов на концах этого участка
(закон Ома для однородного участка
цепи). В самом деле:
Величина
называется сопротивлением участка и
измеряется в Омах (1 Ом = В/А). При выводе
было учтено, что
,
поэтому
,
т.е. направление тока соответствует
направлению от сечения 1 к сечению 2
проводника. Для однородного цилиндрического
проводника постоянного сечения
.
Таким образом
Содержание:
Каждому обывателю знакомы на слух электрические величины - ток, напряжение, - от них зависит работа бытовых приборов, но полное понимание определения электротока есть у немногих людей. Показательно сравнение электрического тока с течением реки, только в нем двигаются частицы, имеющие заряд, а в реке - вода. Надо понимать, что ток движется только в одном направлении, для его существования должны быть созданы условия, рассмотрим эти процессы подробней.
Основные определения
Электричество каждый день окружает нас, но что такое электрический ток и связанные с ним величины - понимает не каждый человек, однако они важны для повседневной жизни. Есть несколько толкований понятия электротока:
- Принятое в школьном учебнике определение, что электрический ток - это движение частиц, имеющих заряд за счет воздействия на них электрического поля. Частицами являются: протоны, дырки, электроны, ионы.
- В электрической литературе высших учебных заведений пишется, что электрический ток это - скорость, с которой заряд изменяется с течением времени. Принимается отрицательный заряд электронов, положительный у протонов и нейтральный у нейтронов.
В электротехнике специалисты отмечают значение такого понятия, как сила тока - это количество частиц, имеющих заряд, которые проходят через сечение проводника с течением времени. Движение тока в проводнике можно описать следующим образом: «…Все токопроводящие материалы имеют внутреннее строение (молекулы, атомы, ядра с вращающимися электронами), когда на материал воздействует химическая реакция, электроны от одного атома перебегают к другому. Создается ситуация, при которой одни атомы испытывают недостаток в электронах, а другие - их избыток, что показывает противоположность заряда. Электроны стремятся к переходу из одного вещества в другое, это движение и есть электрический ток».
Специалисты акцентируют внимание на том, что в этом случае ток течет только до того момента, пока не произойдет уравнивание зарядов в двух веществах.
Для понимания движения тока важно знать определение напряжения - это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах.
Электрическая энергия
В разных регионах, в частности, и в Украине простой обыватель интересуется: «Що таке електричний струм?», с какой целью он применяется, из чего происходит. Повседневно мы пользуемся электрической энергией, которая представлена переменным током в электрических сетях.
Переменный ток в проводнике - это когда частицы, имеющие заряд за определенный промежуток времени, меняют его по направлению, а также по величине. Графически переменный ток представляется синусоидой. Создается он генераторами, в которых вращаются катушки с проводами и в процессе вращения пересекают магнитное поле. В период вращения катушки могут открываться и закрываться по отношению к магнитному полю, что создает электрический ток, который меняется в проводниках по направлению, а полный цикл проходит за одну минуту.
Вращение генераторов происходит от паровых турбин, имеющих разные источники питания: уголь, газ, атомный реактор, нефть. Далее через систему трансформаторов повышается напряжение тока, через проводники нужного диаметра он переносится без потерь на длительное расстояние. Диаметр провода, по которому проходит ток, определяет его силу и величину, горячими линиями в энергетике называются магистральные линии передачи энергии, есть и заземленные варианты, когда передача электроэнергии происходит под землей.
Где применяется электрический ток?
Именно ток значительно облегчает нам жизнь, создавая комфорт в доме. Он применяется для освещения помещений, улицы, для просушки вещей, в нагревательных элементах электроплиты, в других бытовых приборах и устройствах, выполняет работу подъема гаражных дверей и т.д.
Условия, необходимые для получения электротока
Для существования электротока нужны следующие условия: наличие частиц, имеющих заряд, электропроводный материал, по которому будут двигаться частицы, источник напряжения. Важным условием получения электротока является наличие напряжения, которое определяется разностью потенциалов. Иными словами, сила, создаваемая заряженными частицами отталкивания, в одной точке больше, чем в другой.
Природных источников напряжения не существует, по этой причине вокруг нас равномерно распределяются электроны, но такие изобретения, как батарейки дали возможность накапливать в них электрическую энергию.
Другим важным условием является электрическое сопротивление, или проводник, по которому будут двигаться частицы, имеющие заряд. Материалы, в которых это действие возможно, называются электропроводными, а те, в которых нет свободного движения электронов, - изоляторами. Обыкновенный провод имеет проводящую металлическую жилу и изолирующую оболочку.
Электроток в проводниках
В любом проводнике есть носители электрического заряда, которые приходят в движение под воздействием силы поля, создаваемого электрической машиной.
Металлические проводники переносят заряд при помощи электронов. Чем выше температура проводника и нагрев провода, тем хуже протекает ток, так как в нем начинается хаотическое движение атомов от теплового воздействия, увеличивается сопротивление проводящего материала. Чем ниже температура проводника (в идеале - стремление к нулю), тем меньше его сопротивление.
Жидкости могут проводить электроток при помощи ионов (электролиты). Перемещение происходит к электроду, имеющему противоположный с ионом знак, и, оседая на нем, ионы осуществляют процесс электролиза. Анионы - положительно заряженные ионы, двигающиеся к катоду. Катионы - ионы, имеющие отрицательный заряд, двигаются к аноду. В процессе нагревания электролита уменьшается его сопротивление.
Газ также имеет проводимость, электроток в нем - плазма. Движение происходит при помощи заряженных ионов или свободных электронов, которые получаются в процессе излучения.
Электронно-лучевая трубка - это пример электротока в вакууме от стержня катода к стержню анода.
Электроток в полупроводниках
Для понимания прохождения тока в этом материале дадим ему определение. Полупроводник - промежуточный материал между проводником и изолятором, зависит от удельной проводимости, наличия в нем примесей, температурного состояния и воздействующего на него излучения. Чем ниже температура, тем больше сопротивление полупроводника, свойства его влияют на измерения характеристик. Электроток в полупроводнике - это сумма электронного и дырочного тока.
Когда повышается температура полупроводника, происходит разрыв ковалентных связей от действия тепловой энергии на валентные электроны, образуются свободные электроны, в точке разрыва получается дырка. Она занимается валентным электроном другой пары, а сама перемещается далее в кристалле. Когда свободный электрон встречается с дыркой, между ними происходит рекомбинация, восстановление электронных связей. Когда на полупроводник воздействуют энергией электромагнитного излучения, появляются в нем электронно-дырочные пары.
Законы электрического тока
В электротехнике применяются основные законы, которые дают определение электрического тока. Один из главнейших - закон Ома, особенностью которого является быстрота передачи энергии без изменения ее формы из одной точки в другую.
Этот закон показывает связь между напряжением и силой тока, а также сопротивлением проводника или участка цепи. Сопротивление измеряется в омах.
Работу электротока определяют законом Джоуля-Ленца, который говорит о том, что в любой точке цепи ток выполняет работу.
Фарадей открыл магнитную индукцию, а также опытным способом установил, что при пересечении линии магнитной индукции поверхностью замкнутого проводника в нем появляется электроток. Он вывел закон электромагнитной индукции:
Не замкнутые проводники, пересекающие линии магнитного поля, получают на концах напряжение, что говорит о появлении ЭДС индукции. Если магнитный поток неизменен и пересекает замкнутый контур, то в нем не возникает электротока. ЭДС индукции замкнутого контура, когда меняется магнитный поток, равен модулю его скорости изменения.
Вывод
Когда по проводнику протекает электрический ток, он его нагревает, по этой причине необходимо соблюдать меры безопасности, работая с электрическими приборами и устройствами. Нельзя допускать перегрузки линии передачи энергии, она может нагреться, и возникнет пожар. Электроток всегда движется по пути наименьшего сопротивления.
В момент появления КЗ (короткого замыкания) ток в разы возрастает, происходит моментальное выделение огромного теплового значения, которое плавит металл. Электрический ток может вызвать ожоги на теле человека или животного, но применяется в реанимационных установках, для депрессивных решений и лечения заболеваний.
По правилам электробезопасности ощутимый человеком ток наступает с величины один миллиампер, а опасным для здоровья считается ток с 0,01 ампера, смертельной величиной определена сила тока в 0,1 ампера. Безопасное напряжение для человека - 12-24-32-42 вольта.
Проводники отличаются от диэлектриков тем, что в них есть свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему проводника.
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.
Однако, в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током .
Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.
За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов.
В металлах носителями зарядов являются электроны - отрицательно заряженные частицы, поэтому электрический ток в металлах всегда направлен против дижения электронов.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I.
Сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого 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.
Единица измерения силы тока в Международной системе единиц СИ ампер [А].
Прибор для измерения силы тока называется амперметр.
Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток.
Амперметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R A . Внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .
Кратковременный ток в проводнике можно получить, если соединить этим проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал. Ток в проводнике исчезнет, когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем и длительное время поддерживать электрическое поле.
Условия существования электического 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 полём, а оно при этом совершает работу. Работа тока – это работа сил электрического поля, создающего электрический ток.
Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи , в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. 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 . При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.
Работа электростатических сил при перемещении единичного заряда равна разности потенциалов Δφ 12 = φ 1 – φ 2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Величину U 12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2.
Напряжение – это физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, численно равно работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ 1 в точку с потенциалом φ 2 .
В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U 12 = φ 1 – φ 2
Единица измерения напряжения в Международной системе единиц СИ вольт [В].
Прибор для измерения напряжения называется вольтметр.
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам . Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов.
На схемах электрических цепей амперметр обозначается .
Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R B . Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.
Аналогично тому, как трение в механике препятствует движению, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника. Причина сопротивления: столкновение свободно движущихся зарядов с ионами кристаллической решетки.
Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением 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.
Электрическое сопротивление проводника зависит от размеров и формы проводника и 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.
Величину ρ , характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением проводника. Оно численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 мм 2 , изготовленного из данного вещества. Единица удельного сопротивления в СИ
Сопротивление проводника зависит и от его состояния, а именно от температуры .
Эта зависимость выражается формулой 
или 
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 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:
Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором .
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными .
Графическая зависимость силы тока I от напряжения U называется вольт-амперная характеристика (сокращенно ВАХ). Она изображается прямой линией, проходящей через начало координат.
По вольт-амперной характеристике проводника можно судить о его сопротивлении: чем больше угол наклона графика к оси напряжения, тем меньше сопротивление проводника.
