SA. Электрический ток

Материал из PhysBook

(Перенаправлено с Электрический ток)

Перейти к: навигация, поиск

Содержание

1 Электрический ток
- 1.1 *Зависимость силы тока от скорости зарядов
2 Источник тока
- 2.1 См. также
3 Закон Ома для замкнутой цепи
4 Работа и мощность тока
5 Литература

Электрический ток

Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводниках представляет собой:

в металлах — направленное движение электронов (проводники первого рода);

в электролитах — направленное движение положительных и отрицательных ионов (проводники второго рода);

в плазме — направленное движение электронов и ионов обоих знаков (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условились считать направление движения положительно заряженных частиц.

Движение заряженных частиц внутри проводника нельзя наблюдать, но судить о наличии электрического тока можно по его действиям:

тепловому — проводник с током нагревается;
магнитному — вокруг проводника с током возникает магнитное поле;
световому — проводник с током может светиться;
химическому — в проводнике с током изменяется химический состав (такие проводники называются проводниками второго класса).

Для продолжительного существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо выполнение следующих условий:

наличие свободных заряженных частиц (носителей тока);
наличие электрического поля, силы которого, действуя на заряженные частицы, заставляют их двигаться упорядоченно;
наличие источника тока, внутри которого сторонние силы перемещают свободные заряды против электростатических (кулоновских) сил.

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

Сила тока — скалярная физическая величина, равная отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку:

$~\mathcal h I \mathcal i = \frac{\Delta q}{\Delta t} ; \ I = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta q}{\Delta t} .$

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

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

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника:

$~j = \frac IS .$

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м²).

*Зависимость силы тока от скорости зарядов

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы q₀. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд $~\Delta q = q_0 nS \Delta l$ .

Рис. 1

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов $~\mathcal h \upsilon \mathcal i$ , то за промежуток времени $~\Delta t = \frac{\Delta l}{\mathcal h \upsilon \mathcal i}$ все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

$~I = \frac{\Delta q}{\Delta t} = \frac{q_0 n \mathcal h \upsilon \mathcal i S \Delta l}{\Delta l} = q_0 n \mathcal h \upsilon \mathcal i S . \qquad (1)$

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов $~\mathcal h \upsilon \mathcal i$ при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10^-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 10⁶ м/с.

Как следует из формулы (1), плотность тока $~\vec j = q_0 n \mathcal h \vec \upsilon \mathcal i$ .

Направление вектора плотности тока $~\vec j$ совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения $~\mathcal h \vec \upsilon \mathcal i$ положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Источник тока

Как отмечалось, для поддержания в цепи электрического тока необходимо, чтобы на концах ее (рис. 2) существовала постоянная разность потенциалов φ_A - φ_B. Пусть в начальный момент времени φ_A > φ_B, тогда перенос положительного заряда q из точки А в точку В приведет к уменьшению разности потенциалов между ними. Для сохранения постоянной разности потенциалов необходимо перенести точно такой же заряд из B в A. Если в направлении А → В заряды движутся под действием сил электростатического поля, то в направлении В → А перемещение зарядов происходит против сил электростатического поля, т.е. под действием сил неэлектростатической природы, так называемых сторонних сил.

Рис. 2

Сторонние силы — силы неэлектрической природы, разделяющие электрические заряды внутри источника тока.

Это условие выполняется в источнике тока, который поддерживает движение электрических зарядов.

Источник тока — это устройство, способное поддерживать разность потенциалов между концами электрической цепи и обеспечивать упорядоченное движение электрических зарядов во внешней цепи.

Источники электрического тока могут быть различны по своей конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделение зарядов происходит под действием сторонних сил. Перечислим наиболее распространенные источники тока:

гальванические элементы (батарейки) (рис. 3, а) и аккумуляторы — сторонние силы используют энергию химических реакций;
генераторы (динамо-машины) — сторонние силы используют механическую энергию падающей воды, ветра, пара и т.п.;
фотоэлементы (солнечные батареи) (рис. 3, б) — сторонние силы используют энергию электромагнитных излучений (света).

Рис. 3

Источник электрического тока имеет два полюса (две клеммы), к которым присоединяются концы проводов.

Проводник, соединяющий клеммы источника снаружи, называют внешним участком цепи. Сопротивление этого источника обозначают R и называют внешним сопротивлением.

Внутри самого источника заряды движутся по внутреннему участку цепи. Сопротивление источника обозначают r и называют внутренним сопротивлением.

Сумма внешнего и внутреннего соспротивлений (R + r) называют полным сопротивлением цепи.

На электрических схемах источник тока обозначается так, как показано на рис. 4. Положительный полюс (клемма) источника условно изображается более длинной чертой, чем отрицательный.

Рис. 4

Любой источник тока характеризуют электродвижущей силой — ЭДС.

ЭДС (Электродвижущей силой) ε источника тока называют физическую скалярную величину, численно равную работе сторонних сил A_st по перемещению единичного положительного заряда внутри источника тока:

$~\varepsilon = \frac{A_{stor}}{q} .$

Единицей электродвижущей силы в СИ является вольт (В).

ЭДС является энергетической характеристикой источника тока.

Термин «электродвигающая сила» был введен Ампером в 1822 г. Аббревиатуру ЭДС принято читать без расшифровки.

См. также

Все о химических источниках тока

Закон Ома для замкнутой цепи

Рассмотрим простейшую полную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС ε с внутренним сопротивлением r подключенный к ним резистор сопротивлением R (рис. 5).

Рис. 5

Тогда

$~I = \frac{\varepsilon}{R + r} . \qquad (2)$

Данная формула представляет собой закон Ома для полной цепи:

Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Заметим, что максимально возможный ток в цепи с данным источником тока возникает в том случае, если сопротивление внешней цепи стремится к нулю.

Подключение к полюсам источника тока проводника с ничтожно малым сопротивлением называется коротким замыканием, а максимальную для данного источника силу тока называют током короткого замыкания:

$~I_{kz} = \frac{\varepsilon}{r} .$

У источников с малым значением r (например, у свинцовых аккумуляторов r = 0,1 - 0,01 Ом) сила тока короткого замыкания очень велика. Особенно опасно короткое замыкание в осветительных сетях, питаемых от подстанций (ε > 100 В), I_kz может достигнуть тысячи ампер. Чтобы избежать пожаров, в такие цепи включают предохранители.

	Эта статья ещё не дописана.
	Согласно замыслу одного из авторов www.physbook.ru, здесь нужно
	отредактировать текст, дописать формулы и вставить рисунки.

Работа и мощность тока

Электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии — механическую, химическую, световую, внутреннюю энергию вещества, что широко применяется в промышленности и в быту.

Мерой изменения энергии электрического тока служит работа источника тока, создающего и поддерживающего электрическое поле в цепи.

Стационарное электрическое поле, перемещающее заряды по проводнику, совершает работу. Эту работу называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи, как следует из определения напряжения,

$~A = qU ,$

где q — электрический заряд, проходящий по участку цепи, а U — напряжение на участке.

Учитывая, что q = It, где I — сила тока в проводнике, а t — время прохождения электрического тока, для работы тока получим

$~A = IUt .$

Если R — сопротивление однородного участка цепи, то, используя закон Ома для участка цепи, можно получить формулу для расчета работы тока:

$~A = I^2Rt = \frac{U^2}{R} t .$

Если участок цепи не является однородным, то работу совершает не только стационарное электрическое поле, но и сторонние силы, и полная работа определяется по формуле

$~A = I(\varphi_1 - \varphi_2 \pm \varepsilon) t .$

По вышеприведенным формулам можно рассчитать полную работу тока на данном участке цепи.

Если в цепи есть электродвигатель, то энергия электрического тока, во-первых, расходуется на совершение механической работы — полезная работа A_meh, во-вторых, затрачивается на нагревание обмоток электродвигателя и соединительных проводов — теряемая энергия. В этом случае коэффициент полезного действия можно рассчитать как

$~A_0 = A_{meh} + Q ;$ $~\eta = \frac{A_{meh}}{A_0} = \frac{A_{meh}}{A_{meh} + Q} .$

Говоря о коэффициенте полезного действия источника тока, под полезной работой подразумевают работу, совершаемую во внешней цепи постоянного тока:

$~A_p = IUt = I^2Rt .$

Затраченная же работа источника тока равна работе сторонних сил:

$~A_z = q \varepsilon = I \varepsilon t ,$

где $~\varepsilon = I (R + r)$ .

Тогда $~A_z = I^2 (R + r) t$ .

КПД источника $~\eta = \frac{A_p}{A_z} = \frac{IUt}{I \varepsilon t} = \frac{U}{\varepsilon} = \frac{R}{R + r}$ , где U — напряжение во внешней цепи (напряжение на полюсах источника тока). Графическая зависимость η = f(R) при r = const приведена на рис. 1.

Рис. 1

Единица работы электрического тока в СИ — джоуль (Дж). 1 Дж представляет работу тока, эквивалентную механической работе в 1 Дж.

1 Дж = Кл·В = А·В·с.

Измеряют работу электрического тока счетчиками.

Скорость совершения работы тока на данном участке цепи характеризует мощность тока. Мощность тока определяют по формуле $~P = \frac At$ или P = IU.

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать иначе формулу для мощности тока: $~P = I^2R = \frac{U^2}{R}$ . В этом случае речь идет о тепловой мощности.

Единица мощности тока — ватт: 1 Вт = Дж/с. Отсюда Дж = Вт·с.

Кроме того, применяют внесистемные единицы: киловатт-час или гектоватт-час: 1 кВт·ч = 3,6·10⁶ Дж = 3,6 МДж; 1 гВт·ч = 3,6·10⁵ Дж = 360 кДж.

Для измерения мощности тока существуют специальные приборы — ваттметры.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 252-253, 259-260, 262-264, 267-269.
Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летним сроком обучения (базовый и повышенный уровни) /В. В. Жилко, Л. Г. Маркович. — 2-е изд., исправленное. — Минск: Нар. асвета, 2008. — С. 118-123, 132-141.

Смотреть HD

видео онлайн

бесплатно 2022 года

Источник — «http://www.physbook.ru/index.php/SA._%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA»