Электрический ток

Материал из PhysBook

У вас нет разрешения на действие «исправление этой страницы» по следующей причине:

Вы можете просмотреть и скопировать исходный текст этой страницы:

{{TOCright}} == 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 Δ''q'', проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δ''t'', к этому промежутку: <center><math>~\mathcal h I \mathcal i = \frac{\Delta q}{\Delta t} ; \ I = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta q}{\Delta t} .</math></center> 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: <center><math>~j = \frac IS .</math></center> 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 Δ''l'' (рис. 1). Заряд каждой частицы ''q''₀. В объеме проводника, ограниченном сечениями ''1'' и ''2'', содержится ''nS''Δ''l'' частиц, где ''n'' — концентрация частиц. Их общий заряд <math>~\Delta q = q_0 nS \Delta l</math>. [[Изображение:Img_T-73-001.jpg|frame|center|<center>Рис. 1</center>]] Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов <math>~\mathcal h \upsilon \mathcal i</math>, то за промежуток времени <math>~\Delta t = \frac{\Delta l}{\mathcal h \upsilon \mathcal i}</math> все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение ''2''. Поэтому сила тока: <center><math>~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)</math></center> 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 <math>~\mathcal h \upsilon \mathcal i</math> 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 <math>~\vec j = q_0 n \mathcal h \vec \upsilon \mathcal i</math>. *Направление вектора плотности тока <math>~\vec j</math> совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения <math>~\mathcal h \vec \upsilon \mathcal i</math> 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''. [[Изображение:Img_T-76-002.jpg|frame|center|<center>Рис. 2</center>]] *''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). <center><gallery widths="190px" heights="100px"> Изображение:Img_T-76-003-1.jpg|<center>а</center> Изображение:Img_T-76-003-2.jpg|<center>б</center> </gallery></center> <center>Рис. 3</center> 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. [[Изображение:Img_T-76-004-1.jpg|thumb|150px|center|<center>Рис. 4</center>]] 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: <center><math>~\varepsilon = \frac{A_{stor}}{q} .</math></center> 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=== [http://www.powerinfo.ru/ 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). [[Изображение:Img_T-77-002.jpg|frame|center|<center>Рис. 5</center>]] Тогда <center><math>~I = \frac{\varepsilon}{R + r} . \qquad (2)</math></center> *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'': <center><math>~I_{kz} = \frac{\varepsilon}{r} .</math></center> 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. {{В работе}} == 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, <center><math>~A = qU ,</math></center> 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 <center><math>~A = IUt .</math></center> Если ''R'' — сопротивление однородного участка цепи, то, используя закон Ома для участка цепи, можно получить формулу для расчета работы тока: <center><math>~A = I^2Rt = \frac{U^2}{R} t .</math></center> Если участок цепи не является однородным, то работу совершает не только стационарное электрическое поле, но и сторонние силы, и полная работа определяется по формуле <center><math>~A = I(\varphi_1 - \varphi_2 \pm \varepsilon) t .</math></center> 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 <center><math>~A_0 = A_{meh} + Q ;</math></center> <center><math>~\eta = \frac{A_{meh}}{A_0} = \frac{A_{meh}}{A_{meh} + Q} .</math></center> Говоря о коэффициенте полезного действия источника тока, под полезной работой подразумевают работу, совершаемую во внешней цепи постоянного тока: <center><math>~A_p = IUt = I^2Rt .</math></center> Затраченная же работа источника тока равна работе сторонних сил: <center><math>~A_z = q \varepsilon = I \varepsilon t ,</math></center> где <math>~\varepsilon = I (R + r)</math>. Тогда <math>~A_z = I^2 (R + r) t</math> . КПД источника <math>~\eta = \frac{A_p}{A_z} = \frac{IUt}{I \varepsilon t} = \frac{U}{\varepsilon} = \frac{R}{R + r}</math>, где ''U'' — напряжение во внешней цепи (напряжение на полюсах источника тока). Графическая зависимость ''η'' = ''f''(''R'') при ''r'' = const приведена на рис. 1. [[Изображение:Img_T-80-001.jpg|frame|center|<center>Рис. 1</center>]] Единица работы электрического тока в СИ — джоуль (Дж). 1 Дж представляет работу тока, эквивалентную механической работе в 1 Дж. <center>1 Дж = Кл·В = А·В·с.</center> Измеряют работу электрического тока счетчиками. Скорость совершения работы тока на данном участке цепи характеризует мощность тока. Мощность тока определяют по формуле <math>~P = \frac At</math> или ''P'' = ''IU''. Используя закон Ома для участка цепи, можно записать иначе формулу для мощности тока: <math>~P = I^2R = \frac{U^2}{R}</math>. 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. [[Category:Постоянный ток]]

Возврат к странице Электрический ток.

Смотреть HD

видео онлайн

бесплатно 2022 года