Электрический ток

Что такое электрический ток

В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.

Первым условием длительного существования электрического тока рассматриваемого вида является наличие источника, или генератора, поддерживающего разность потенциалов между носителями зарядов. Второе условие — замкнутость пути. В частности, для существования постоянного тока необходимо наличие замкнутого пути, по которому заряды могут перемещаться внутри контура без изменения их значения.

Как известно, в соответствии с законом сохранения электрических зарядов они не могут создаваться или исчезать. Поэтому, если любой объем пространства, где протекают электрические токи, окружить замкнутой поверхностью, то ток, втекающий в этот объем, должен быть равен току, вытекающему из него.

Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):

В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:

Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.

Рис. 1. Направленное движение электронов в проводнике

Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е (рис. 1). Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов vcp, определяет протекание электрического тока.

Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.

Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике

Величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S, называются плотностью тока: I / S

При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2.

Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.

Электрическим током смещения (током поляризации) называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.

Полный электрический ток — скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.

Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Подробнее об этом читайте здесь: Постоянный ток

Ток намагниченности — постоянный микроскопический (амперовый) ток, являющийся причиной существования собственного магнитного поля намагниченных веществ.

Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Величиной, характеризующей переменный ток, является частота (в системе СИ измеряется в герцах), в том случае, когда его сила изменяется периодически.

Переменный ток — это ток, который изменяется по закону синуса с течением времени.

Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.

Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые способы решения задач, пригодные для цепей постоянного тока, здесь непосредственно неприменимы. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение — перетекать из одних мест цепи в другие и обратно. При этом, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединённых проводниках могут оказаться неодинаковыми.

Ёмкости, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, при изменении тока сказываются эффекты самоиндукции, которые становятся существенными даже при низких частотах, если используются катушки с большой индуктивностью.

При сравнительно низких частотах цепи переменного тока можно по-прежнему рассчитывать с помощью правил Кирхгофа, которые, однако, необходимо соответствующим образом модифицировать.

Цепь, в которую входят разные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, можно рассматривать, как если бы она состояла из обобщённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности, соединённых последовательно.

Рассмотрим свойства такой цепи, подключённой к генератору синусоидального переменного тока. Чтобы сформулировать правила, позволяющие рассчитывать цепи переменного тока, нужно найти соотношение между падением напряжения и током для каждого из компонентов такой цепи.

Конденсатор играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного токов. Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится и ток упадёт до нуля.

Если же цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вытекать из левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой — наоборот.

Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. Пока частота переменного тока не очень велика, ток через резистор и катушку индуктивности также одинаков.

В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.

Проводники электрического тока

Электрический ток во всех его проявлениях представляет собой кинетическое явление, аналогичное течению жидкости в замкнутых гидравлических системах. По аналогии процесс движения тока называется «течением» (ток течет).

Материал, в котором течёт ток, называется проводником. Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости. В таком состоянии они не оказывают почти никакого сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю.

Во всех остальных случаях проводник оказывает сопротивление течению тока и в результате часть энергии электрических частиц превращается в тепло. Силу тока можно рассчитать по закону Ома для участка цепи и закону Ома для полной цепи.

Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.

Как ток влияет на организм человека

По технике безопасности, минимально ощутимый человеком ток составляет 1 мА. Опасным для жизни человека ток становится начиная с силы примерно 0,01 А. Смертельным для человека ток становится начиная с силы примерно 0,1 А. Безопасным считается напряжение менее 42 В.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Постоянный электрический ток. Классическая теория электропроводности металлов.

Направленное движение электрических зарядов под действием сил электрического поля назы­вают электрическим током.

Ток может идти в твердых телах, жидко­стях и газах. Если среда является проводником с большим количеством свободных электронов, то течение электрического тока осуществляется за счет дрейфа этих электронов.

Дрейф электронов в проводниках, не свя­занный с перемещением вещества, называют током проводимости. Упорядоченное перемещение электрических зарядов, связанное с перемещением в пространстве за­ряженного тела, называют конвекционным током.За направление тока принят дрейф положительных зарядов. Количественной характеристикой электрического тока являются си­ла тока I и плотность тока j.

Сила тока – скалярная величина, равная отношению количества электричества dq, которое за время dt переносится через данное сече­ние проводника, ко времени dt:

Постоянным током называют электрический ток, сила и направле­ние которого с течением времени не изменяются:

Единица силы электрического тока – ампер (А).

Плотность тока – векторная физическая величина, модуль кото­рой равен отношению силы тока I к площади поперечного сечения проводника S: . Вектор направлен вдоль направления тока.

Для металлов, где ток создается движущимися электронами, плотность тока вычисляется по формуле: j = ne , где e – заряд электрона, n – концентрация электронов, – средняя скорость направленного движения электронов.

Для того чтобы в проводнике все время шел ток, необходимо под­держивать в нем постоянное электрическое поле. Возьмем металличе­ский проводник длиной l. Пусть Е – напряженность электрического по­ля внутри проводника, а j₁ – j₂=U – постоянная разность потенциалов на концах проводника. Тогда: .

За­кон Ома для участка цепи: сила тока в проводнике пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:

Единица сопротивления – ом (Ом).

Электрическое сопротивление обусловлено тем, что свободные электро­ны при дрейфе взаимодействуют с положительными ионами кристалли­ческой решетки металла. Для однородно­го цилиндрического проводника длиной l и площадью поперечного сече­ния S сопротивление определяется по формуле: R= , где r– удельное сопротивление проводника. Единица удельного сопротивления – ом-метр (Ом×м).

Величина , обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью проводника.

Закон Ома можно представить в дифференциальной форме:

или . Тогда: j = gE.

Направления векторов j и Е совпадают, так как носители заряда в каждой точке движутся в направлении вектора Е. Следовательно, этот закон можно переписать в виде: .

Это закон Ома в дифференциальной форме.

Это закон Ома для полной цепи: , где –ЭДС источника, r–его внутреннее сопротивление. ЭДС источника тока численно равен работе, которую совершают сторонние силы при перемещении еди­ничного положительного электрического заряда вдоль всей цепи.

В классической электронной теории электроны проводимости рас­сматриваются как электронный газ, подобный идеальному одноатомному газу. Предполагается, что движение электронов подчиняется законам классической механики Ньютона. Взаимодействием электронов между собой пренебрегают и считают, что они взаимодействуют только с положительными ионами решетки. По этой теории электронный газ должен подчиняться всем законам идеаль­ного газа. Согласно закону равномерного распределения энергии по сте­пеням свободы, на один электрон приходится средняя кинетическая энер­гия теплового движения , где k – постоянная Больцмана. При тепловом движении электроны испытывают соударения. Путь, проходимый электронами между двумя последовательными соударениями, называют длиной свободного пробега (l).

Предполагается, что при каждом соударении электрон полностью передает свою энергию ионам решетки (т.е. столкновения неупругие) и начальная скорость последую­щего движения электрона равна нулю. Если по проводнику течет постоянный ток, то внутри проводника существует электрическое поле напряженностью Е. На каждый электрон со стороны электрического поля действует сила F = еЕ. Под действием этой силы электрон приобретает ускорение а, которое можно определить из равенства т_еa=еЕ, откуда

Если t – среднее время между двумя последовательными соуда­рениями, то к концу свободного пробега электрон приобретает скорость . Средняя скорость упорядоченного движения электронов (1)

(начальная скорость полагается равной нулю, поэтому движение считает­ся равноускоренным).

Среднее время между двумя последовательными соударениями можно определить, если знать длину свободного пробега и среднюю ско­рость теплового движения ( ): . Подставив tв формулу (1), получим (2).

Мы знаем, что плотность тока можно определить из соотношения
j = ne . Подставив сюда (2), получим (3), где (4) – удельная проводимость материала.

Из полученного выражения (3) следует: плот­ность тока пропорциональна напряженности электрического поля, что находится в соответствии с законом Ома в дифференциальной форме.

Анализируя выражение (4), видим, что электропроводимость пропорциональна концентрации п электронов проводимости и средней длине свободного пробега, т.е. чем больше l, тем меньшую помеху для упорядоченного движения электронов представляют соударения. Электропроводимость обратно пропорциональна средней тепловой скорости ( ). Тепловая скорость при повышении температуры возрастает пропорционально , что при­водит к уменьшению электропроводимости и увеличению удельного со­противления проводников.

На основании классической теории проводимости ме­таллов можно объяснить закон Джоуля–Ленца. Упорядоченное движение электронов происходит под действием сил поля. Так как в момент соударения с положи­тельными ионами кристаллической решетки электроны полностью передают ей свою кинетическую энергию, то к концу свободного пробега ско­рость электрона u =eEt /m_e, акинетическая энергия .

Мощность, выделяемая единицей объема металла (плотность мощ­ности), равна произведению энергии одного электрона на число соударе­ний в секунду и на концентрацию и электронов: .

Учитывая, что , имеем . Имеем соответствие с законом Джоуля-Ленца в дифф. форме.

Таким образом, классическая теория электропроводности смогла объяснить законы Ома и Джоуля-Ленца, а также характер зависимости сопротивления от температуры.

Противоречия классической теории:

1) С»3R, хотя по теории должно быть 3R+1,5R (дополнительный вклад теплоемкости электронов).

2) Так как , то r

, а на практике: , то есть r

3) не объясняет природу сверхпроводимости (отсутствии сопротивления при низких температурах)

4) Величина средней длины светового пробега электрона, получаемая по формулам, на два порядка превышает период кристаллической решетки металла

Данные затруднения были преодолены с помощью квантовой теории.

Источник

Электрический ток и закон Ома

теория по физике 🧲 постоянный ток

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля.

Условия существования электрического тока:

Носители электрического тока в различных средах

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

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

Основные элементы электрической цепи:

Электрическая цепь также может содержать:

Электрическая схема — графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде условных обозначений.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Простейшая электрическая цепь содержит в себе источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематически ее можно отобразить так:

Направление электрического тока в металлах

По металлическим проводам перемещаются отрицательно заряженные электроны, т.е. ток идет от «–» к «+» источника. Направление движения электронов называют действительным. Но исторически в науке принято условное направление тока от «+» источника к «–».

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток способен вызывать различные действия:

Основные параметры постоянного тока

Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Основными параметрами электрического тока являются:

Сила тока

Сила тока показывает, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

Заряд, проходящий по проводнику за время t при силе тока, равной I:

Пример №1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 минуты?

2 минуты = 120 секунд

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

Сила тока и скорость движения электронов:

n — (м –3 ) — концентрация, S (м 2 ) — площадь сечения проводника, v — скорость электронов.

Внимание!

Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙10 8 м/с.

Сопротивление

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

Пример №2. Медная проволока имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Какое электрическое сопротивление имеет медная проволока, у которой в 2 раза больше длина и в 3 раза больше площадь поперечного сечения?

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

Отсюда сопротивление второго проводника равно:

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

Пример №3. Перемещая заряд в первом проводнике, электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении такого же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U₁/U₂ напряжений на концах первого и второго проводников.

Закон Ома для участка цепи

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

Иллюстрация закона Ома.

Сила тока направлена в сторону движения заряженных частиц (электронов). Силе тока противостоит сопротивление: чем оно больше, тем меньше сила тока (тем меньше проходит электронов через проводник в единицу времени). Но росту силы тока способствует напряжение, которое словно толкает заряженные частицы, заставляя их упорядоченно перемещаться.

Закон Ома для участка цепи с учетом формулы для расчета сопротивления:

Для сравнения и расчета сопротивления часто используют вольтамперную характеристику. Так называют графическое представление зависимости силы тока от напряжения. Пример вольтамперной характеристики:

Чем круче график, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения величин, указанных на осях.

Пример №4. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции:

Точке графика, соответствующей 5 кВ, соответствует сила тока, равна 20 мА.

Сначала переведем единицы измерения величин в СИ:

При определении сопротивления резистора ученик измерил напряжение на нём: U = (4,6 ± 0,2) В. Сила тока через резистор измерялась настолько точно, что погрешностью можно пренебречь: I = 0,500 А. По результатам этих измерений можно сделать вывод, что сопротивление резистора, скорее всего,

Источник