виды и применение электротока, основные понятия, движение носителей заряда, формулы
Применение электрического тока разнообразно, поскольку невозможно представить без него жизнь человечества. Следует понимать его природу возникновения, чтобы направить энергию во благо, а не во вред. Электрический ток подчиняется законам физики, которые используются для изготовления различных устройств. Для его грамотного использования нужно знать основные электрические величины.
Основные понятия
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.
Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление.
Сила и тип тока
Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.
Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки.
(-7) Н.
Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.
Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.
Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.
Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида.
Разность потенциалов
Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.
При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.
Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.
Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.
Условия получения и законы
Электроток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник.
Но также справедливо и обратное утверждение, доказывающее возникновение электрического поля в результате протекания тока. Важными условиями его получения являются такие факторы: наличие свободных электронов и источника напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, которая способствует «вырыванию» из кристаллической решетки этих частиц.
Проводимость веществ
Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре проводника возникает движение атомов, некоторые из них распадаются и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействует с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепловую. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника.
- Температуры.
- Типа вещества.
- Длины проводника.
- Площади поперечного сечения.
При уменьшении температуры вещества происходит снижение его сопротивления.
Зависимость от типа вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Они образуют между собой кристаллическую решетку, причем у каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, а следовательно, отличается от других наличием носителей заряда.
Кроме того, потоку заряженных частиц сложнее пройти через длинный проводник с маленьким значением его площади поперечного сечения.
Проводником является и электролит или жидкость, проводящая электрический ток. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые бывают положительно (анионы) и отрицательно (катионы) заряжены. Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Перемещение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы перемещаются к аноду, а анионы — к катоду.
При протекании тока через электролит происходит его нагревание, в результате которого увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы способны проводить электроток тоже.
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. Представлять носители заряда в них могут электроны и дырки. При уменьшении температуры сопротивление его возрастает. При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а в месте, где они были, происходит образование дырки. Однако она притягивает другой электрон, который находится рядом. Так и происходит движение дырок. Следовательно, сумма дырочного и электронного электромагнитных полей образует электроток.
Основные соотношения
Все явления подчиняются физическим законам, и электричество не является исключением. Основные соотношения зависимости одной величины от других описаны в законах, которые применяются для расчета различных схем для простых и сложных устройств.
Основным законом, используемым в электротехнике, является закон Ома для участка и полной цепи. Для участка цепи он показывает зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R и его формулировка следующая: ток, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален значению напряжения и обратно пропорционален сопротивлению этого участка (I = U / R).
Для полной цепи, в которой существует электродвижущая сила (e) и внутреннее сопротивление источника питания: формулировка выглядит следующим образом: ток, протекающий в полной цепи, прямо пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи с учетом внутреннего сопротивления источника питания (i = e / (R + Rвн)).
Из этих законов можно получить следствия, которые нужны для нахождения величин напряжения, ЭДС и сопротивлений.
Следствия из законов Ома:
- R = U / I.
- U = I * R.
- e = i * (R + Rвн).
- R = (e / i) — Rвн.
- Rвн = (e / i) — R.
Электроток, при прохождении через проводник или полупроводник, совершает работу, при которой выделяется тепловая энергия. Это одно из его свойств. Ее численное значение определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.
Закон показывает зависимость количества теплоты от величин напряжения и силы тока, а также времени протекания электротока.
Его формулировка следующая: количество теплоты Q, выделяемое током при протекании через проводник за единицу времени, прямо пропорционально зависит от напряжения и силы тока (Q = U * I * t). Следствия из этого закона следующие:
- Q = sqr (I) * R * t.
- Q = (sqr (U) * t) / R.
- I = Q / (U * t).
- I = sqrt ((Q / (R * t)).
- U = Q / (I * t).
- U = sqrt (Q * R * t).
- t = Q / (U * I).
- t = Q / (sqr (I) * R).
- Q = P * t.
- P = Q / t.
- t = Q / P.
Величина Р является мощностью и вычисляется по формуле: Р = U * I. Если электрический ток в цепи не совершает механическую работу и не производит никакого действия, то все электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. A = Q.
Опытным путем было установлено, что при пересечении линий электромагнитной индукции проводником замкнутого типа в нем появляется электроток. Закон о влиянии электромагнитного поля на возникновение тока называется законом Фарадея. Он гласит: отрицательное значение ЭДС электромагнитной индукции в контуре, который является замкнутым, равно изменению магнитного потока с течением времени. Из закона Фарадея следует, что при движении проводника в постоянном магнитном поле на концах первого возникает разность потенциалов. Этот принцип используется для изготовления генераторов, трансформаторов и т. д.
Таким образом, электрический ток, как все явления и процессы, подчиняется определенным законам, которые позволяют не только контролировать, но и избегать негативных последствий, связанных с его работой.
Производить расчеты нужно и для экономии времени, поскольку подбор номинала какого-либо элемента схемы может привести к выходу из строя устройства.
№1. Дайте определение электрического тока. №2. При каких условиях возникает электрический
№2. При каких условиях возникает электрический ток?№3. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся элек-троны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?
№4. Дайте определение силы тока.
№5. В каких единицах измеряется сила тока?
№6. Для измерения какой физической величины используется амперметр? Почему сопротивле-ние амперметра должно быть малым? Как подсоединяется амперметр в цепь?
№7. Для измерения какой физической величины используется вольтметр? Почему сопротивле-ние вольтметра должно быть большим? Как подсоединяется вольтметр в сеть?
№8.
От чего зависит сопротивление проводника? В чем оно измеряется?
№9. Какая физическая величина характеризует электрические свойства материала проводника? Дайте определение этой величины и укажите, в каких единицах она измеряется
№10. При каких значениях удельного сопротивления вещество можно считать проводником, по-лупроводником, диэлектриком?
№11. Как зависит удельное сопротивление проводника от его температуры? В каких единицах измеряется температурный коэффициент сопротивления?
№12. Какое физическое явление называют сверхпроводимостью? Дайте определение сверхпро-водника
№13. Какую температуру называют критической?
№14. Сформулируйте закон Ома для участка цепи.
№15. На что расходуется энергия направленного движения заряженных частиц в проводнике?
№16. Сформулируйте закон Джоуля—Ленца. Запишите его математическое выражение.
№17. Что называют работой тока?
№18. Дайте определение мощности электрического тока. Приведите формулу для расчета этой мощности.
№19. Каковы единицы мощности и работы тока?
№20. Почему уменьшение потерь мощности в линиях электропередачи достигается за счет по-вышения напряжения в передающей электростанции?
№21. Какие вы знаете виды соединения проводников.
№22. Сформулируйте законы последовательного соединения проводников.
№23. Сформулируйте законы параллельного соединения проводников.
№24. Какие силы называют сторонними? Почему накопление зарядов на полюсах источника мо-жет происходить лишь под действием сторонних сил?
№25. Опишите особенности движения заряженной частицы в источнике тока.
№26. Дайте определение ЭДС. В каких единицах она измеряется?
№27. Может ли напряжение источника равняться его ЭДС? При каком условии?
№28. Сформулируйте и запишите закон Ома для замкнутой цепи.
Электрический ток, сила и плотность тока
В электродинамике — разделе учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел, важнейшим понятием является понятие электрического тока.
Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. В проводнике под действием приложенного электрического поля Ε свободные электрические заряды перемещаются: положительные — по полю, отрицательные — против поля, т.е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела, то возникает так называемый конвекционный ток.
Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, а с другой – наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I — скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:
Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным. Для постоянного тока
где Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника.
Единица силы тока – ампер (А). Более детально ток можно охарактеризовать с помощью вектора плотности тока j.
Плотностью тока называется физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока:
Направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м2).
Выразим силу и плотность тока через скорость v упорядоченного движения зарядов в проводнике.
Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд
Сила тока
,а плотность тока
.Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т. е.
,где dS = n dS (n — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с вектором j угол ).
аппаратура коммутационная и аппаратура управления | 826-16-03 |
барьер защитный (электрически) | 826-12-24 |
БСНН | 826-12-31 |
ввод в электрическую установку | 826-10-02 |
зажим главный заземляющий | 826-13-15 |
зажим уравнивания потенциалов | 826-13-34 |
заземление защитное | 826-13-09 |
заземление силовой сети | 826-13-11 |
заземление системы электроснабжения | 826-13-11 |
заземление функциональное | 826-13-10 |
заземлитель | 826-13-06 |
заземлять | 826-13-03 |
замыкание короткое | 826-14-10 |
замыкание короткое между линейными проводниками | 826-14-12 |
замыкание короткое на землю однофазное | 826-14-11 |
замыкание короткое междуфазное | 826-14-12 |
замыкание линейного проводника на землю | 826-14-11 |
замыкание на землю | 826-14-13 |
защита внутренняя от коротких замыканий и замыканий на землю | 826-14-15 |
защита дополнительная | 826-12-07 |
защита ограничением установившегося тока и электрического разряда | 826-12-34 |
защита основная | 826-12-05 |
защита от поражения электрическим током | 826-12-02 |
защита при повреждении | 826-12-06 |
земля, используемая в качестве обратного провода | 826-13-14 |
земля (локальная) | 826-13-02 |
земля эталонная (относительная) | 826-13-01 |
зона досягаемости (рукой) | 826-12-19 |
(зона) помещение ограниченного доступа | 826-18-04 |
ЗСНН | 826-12-32 |
изоляция двойная | 826-12-16 |
изоляция дополнительная | 826-12-15 |
изоляция основная | 826-12-14 |
изоляция усиленная | 826-12-17 |
источник питания электрический для систем безопасности | 826-10-05 |
источник с ограничением тока | 826-12-33 |
источник питания электрический резервный | 826-10-08 |
канал кабельный | 826-15-06 |
кронштейны кабельные | 826-15-10 |
лестница кабельная | 826-15-09 |
лицо обычное | 826-18-03 |
лоток кабельный | 826-15-08 |
лоток кабельный лестничного типа | 826-15-09 |
напряжение линейного проводника относительно земли | 826-11-08 |
напряжение линейное | 826-11-06 |
напряжение на поверхности земли | 826-11-09 |
напряжение номинальное (электрической установки) | 826-11-01 |
напряжение прикосновения допустимое | 826-11-04 |
напряжение прикосновения ожидаемое | 826-11-03 |
напряжение прикосновения (эффективное) | 826-11-05 |
напряжение при повреждении | 826-11-02 |
напряжение сверхнизкое | 826-12-30 |
напряжение фазное | 826-11-07 |
напряжение фазное относительно земли | 826-11-08 |
оболочка | 826-12-20 |
оболочка защитная (электрически) | 826-12-22 |
оболочка электрическая | 826-12-21 |
оборудование передвижное | 826-16-04 |
оборудование переносное | 826-16-05 |
оборудование стационарное | 826-16-06 |
оборудование установленное неподвижно | 826-16-07 |
оборудование фиксированное | 826-16-07 |
оборудование электрическое | 826-16-01 |
ограждение защитное (электрически) | 826-12-23 |
останов аварийный | 826-17-04 |
отключение аварийное | 826-17-03 |
отключение для механического обслуживания | 826-17-02 |
отключение питания автоматическое | 826-12-18 |
переключение оперативное | 826-17-05 |
персонал инструктированный (электротехнически) | 826-18-02 |
персонал квалифицированный (электротехнически) | 826-18-01 |
полки кабельные | 826-15-10 |
помещение (зона) ограниченного доступа | 826-18-04 |
поражение электрическим током | 826-12-01 |
прикосновение косвенное | 826-12-04 |
прикосновение прямое | 826-12-03 |
провод-земля обратный | 826-13-14 |
проводник | 826-14-06 |
проводник заземляющий | 826-13-12 |
проводник заземляющий параллельный | 826-13-13 |
проводник защитный (РЕ) | 826-13-22 |
проводник защитный заземляющий | 826-13-23 |
проводник защитный уравнивания потенциалов | 826-13-24 |
проводник линейный | 826-14-09 |
проводник нейтральный | 826-14-07 |
проводник-PEL | 826-13-27 |
проводник-PEM | 826-13-26 |
проводник-PEN | 826-13-25 |
проводник средний | 826-14-08 |
проводник функционального заземления | 826-13-28 |
проводник функционального уравнивания потенциалов | 826-13-29 |
проход для оперативного обслуживания | 826-10-09 |
проход для технического обслуживания | 826-10-10 |
пустоты строительные | 826-15-02 |
разделение защитное (электрическое) | 826-12-29 |
разделение простое | 826-12-28 |
разделение (электрическое) | 826-12-27 |
разъединение | 826-17-01 |
сверхток | 826-11-14 |
сеть заземляющих электродов | 826-13-06 |
система БСНН | 826-12-31 |
система безопасного сверхнизкого напряжения | 826-12-31 |
система ЗСНН | 826-12-32 |
система защитного сверхнизкого напряжения | 826-12-32 |
система защитного уравнивания потенциалов | 826-13-31 |
система кабельных коробов | 826-15-04 |
система специальных кабельных коробов | 826-15-05 |
система уравнивания потенциалов | 826-13-30 |
система уравнивания потенциалов совмещенная | 826-13-33 |
система функционального уравнивания потенциалов | 826-13-32 |
система электрического питания для систем безопасности | 826-10-04 |
система электрического питания резервная | 826-10-07 |
скобы | 826-15-11 |
СНН | 826-12-30 |
сопротивление относительно земли | 826-13-17 |
сопротивление полное относительно земли | 826-13-16 |
среда окружающая непроводящая | 826-12-36 |
температура окружающей среды | 826-10-03 |
ток дифференциальный | 826-11-19 |
ток (длительный) допустимый | 826-11-13 |
ток защитного проводника | 826-11-21 |
ток короткого замыкания | 826-11-16 |
ток несрабатывания (защитного устройства) | 826-11-18 |
ток перегрузки (электрической цепи) | 826-11-15 |
ток повреждения | 826-11-11 |
ток прикосновения | 826-11-12 |
ток расчетный (электрической цепи) | 826-11-10 |
ток срабатывания (защитного устройства) | 826-11-17 |
ток утечки | 826-11-20 |
точка нейтральная | 826-14-05 |
точка средняя | 826-14-04 |
труба | 826-15-03 |
туннель кабельный | 826-15-07 |
уравнивание потенциалов | 826-13-19 |
уравнивание потенциалов защитное | 826-13-20 |
уравнивание потенциалов функциональное | 826-13-21 |
установка электрическая | 826-10-01 |
устройство заземляющее | 826-13-04 |
устройство защитного сопротивления | 826-12-35 |
устройство защиты от сверхтока | 826-14-14 |
цепь групповая (конечная) (здания) | 826-14-03 |
цепь распределительная | 826-14-02 |
цепь электрическая для систем безопасности | 826-10-06 |
цепь (электрическая) (электрической установки) | 826-14-01 |
части, доступные одновременному прикосновению | 826-12-12 |
часть проводящая | 826-12-09 |
часть проводящая открытая | 826-12-10 |
часть проводящая сторонняя | 826-12-11 |
часть токоведущая | 826-12-08 |
часть токоведущая опасная | 826-12-13 |
шина главная заземляющая | 826-13-15 |
шина уравнивания потенциалов | 826-13-35 |
щит распределительный | 826-16-08 |
эквипотенциальность | 826-13-18 |
экран защитный (электрически) | 826-12-25 |
экранирование защитное (электрическое) | 826-12-26 |
электрод заземляющий | 826-13-05 |
электрод заземляющий независимый | 826-13-07 |
электрод заземляющий фундаментный | 826-13-08 |
электроприемник | 826-16-02 |
электропроводка | 826-15-01 |
РадиоКот :: Электрический ток
РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы электроники >Электрический ток
Радиоэлектроника, электротехника, электрика — всего этого не могло бы быть, если бы не было электрического тока.
И уж коль скоро Вы решились познать науку Радиоэлектронику, надо бы разобраться в начале, а что, собственно, такое — электрический ток.
В учебнике физики дано такое определение: электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Движущиеся заряженные частицы — это электроны, причем их заряд отрицателен. Есть еще протоны — частицы с положительным зарядом и нейтроны — с нейтральным зарядом, но ни те ни другие не движутся. Значит, говоря об электрическом токе, мы будем иметь ввиду некую оголтелую толпу именно электронов, несущихся из пункта А в пункт Б, с очень большой скоростью… Это в общем.
Даже под самым наисовременнейшим микроскопом, нам ни за что не разглядеть электрон. А уж пощупать его — тем более никак. Вы, уважаемый читатель, можете, конечно возразить, мол, если сунуть два гвоздя в розетку, а потом за них схватиться — вот тут то как раз и можно очень мило все пощупать. Да еще как пощупать!!! «А вот ни фига» — отвечу я. То мы почувствуем — это всего лишь результат прохождения тока через живые ткани организма.
А один отдельно взятый электрон пощупать НЕЛЬЗЯ!
К чему все это? Да к тому, что в физике полно таких вот виртуальных вещей: они как бы есть, но на что они похожи — никто толком не знает. Как же тогда можно их изучать?..
Вот поэтому физику и чтят в народе наукой темной и безнадежно свирепой. А меж тем, дело решается очень просто. Надо только найти что-то более знакомое, то, что каждый человек тысячу раз видел, щупал, нюхал, пробовал на зуб и т.д. Причем, это что-то по поведению должно быть похожим на то, что мы изучаем. В данный момент мы изучаем электрический ток. Давайте попробуем подобрать что-то такое, что на него похоже, и что каждый видел.
Вот часто говорят: «ток течет». Это наводит на хорошую аналогию. А не сравнить ли нам электрический ток с током воды? Итак. Ток течет по проводам — вода течет по трубам. Ток течет от «+» к «-» — вода течет сверху вниз… Как видим — общего много. Поехали!
Для начала, давайте соберем хитроумную экспериментально-научную установку для выяснения свойств электрического тока на водяной модели.
Для этого нам потребуется:
— 2 одинаковые пластиковые бутылки любого объема с пробками,
— кусок тонкого шланга (примерно 30 см).
— два гвоздя.
Отрезаем у бутылок дно, в пробочке ковыряем (сверлим) дырочки, вставляем туда концы шланга. Подвешиваем конструкцию на стенку при помощи гвоздей на одном уровне:
Приступаем к проведению научных экспериментов.
После каждого эксперимента мы будем делать вывод на основании полученных результатов. Если эксперименты и выводы покажутся Вам идиотскими — не удивляйтесь. Оно так и есть — все до идиотизма просто! Значит все у нас получится :).
Заполним левую бутылку водой (правая пока пуста), и смотрим, что происходит.
А происходит вот чего: вода начинает перетекать по шлангу из левой бутылки в правую. Сначала, когда в правой бутылке еще почти нет воды, а левая полна до краев — скорость перетекания воды большая. Но постепенно, по мере того, как заполняется правая и опустошается левая бутылка, скорость уменьшается.
В тот момент, когда уровни воды в обеих бутылках сравняются, скорость станет равна нулю. Иначе говоря, ток воды в шланге исчезнет.
Вывод 1: Вода течет из бутылки, уровень воды в которой больше.
Вывод 2: Чем больше разность уровней — тем сильнее ток воды в шланге
Вывод 3: Если уровни равны, вода не течет вообще.
Для него нам понадобится секундомер.
Перельем воду из правой бутылки в левую. То есть, снова сделаем так, чтобы в левой было много, а в правой — ничего. Запустим секундомер. Когда уровни в бутылках уровняются — остановим секундомер. Время запишем.
Повторим то же самое, но слегка зажмем шланг (но так, чтобы вода могла течь).
Сравним результаты измерений времени в первом и втором опыте. Время 2-го опыта, очевидно, будет больше.
Вывод: Чем тоньше шланг — тем меньше в нем сила водяного тока.
По результатам проделанных экспериментов, подведем итоги. А именно — выясним, от чего зависит сила тока в шланге.
Итак,
1. Чем больше разность уровней в бутылках — тем больше сила тока.
2. Чем сильнее сжат шланг, то есть, чем больше сопротивление шланга текущей по нему воде — тем меньше сила тока.
Объединим это в один закон:
Чем больше разность уровней и чем меньше сопротивление — тем больше сила тока
—Поехали дальше—>>
Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? |
Что такое электрический ток? | homeofknowledge.ru
Электрическим током называют направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов — пишут в учебнике по физике Пёрышкин А.В. и Краукликс В.В.
Казалось бы, всё просто и понятно, но если постараться осмыслить это определение, то возникнут дополнительные вопросы (как выглядит электрический заряд? куда он направлен? кто направляет? и как бы углядеть этот процесс в целом?), на которые мы сразу внятных ответов не найдём.
Более того, в процессе поиска в тех же самых классических учебниках, мы встретим множество оговорок, которые прямо влияют на изменение процесса протекания электрического тока. Ток бывает переменный и постоянный, в металлах и вакууме, в электролите и газе и т.д. Чем дальше мы будем углубляться в этом вопросе, тем больше мы будем “уходить” от первоначально поставленного вопроса (что такое электрический ток?), поэтому давайте не спешить с “погружением” в теоретическую физику электричества и постараемся, не спеша, обрести понимание электрического тока, отталкиваясь от того, что нам уже известно.
А известно нам то, что если засунуть пальцы в розетку, то нас тряханёт так, что запомним на всю жизнь (в случае если выживем). Почему же так происходит? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, нужно вспомнить анатомию, и из чего мы состоим (кратко: мы состоим из органов => тканей => молекул => атомов, где постоянно двигаются (вращаются) электроны, которые и “скрепляют” наши атомы вместе, что б наше физ.
тело не развалилось). Далее нужно вспомнить, из чего состоят провода, по которым “направленно движется” электрический ток. А состоят они обычно из алюминия или меди, которые в свою очередь тоже состоят из атомов и электронов, которые также удерживают (скрепляют) металл, чтобы он не развалился. По сути, в этом плане, человеческое тело не отличается от металла, там и там мельчайшей неделимой структурой является электрон. Именно электрон является носителем электрического заряда, о котором говорится в первоначальном определении электрического тока, и одновременно, связующим звеном между атомами. Как именно электрон это делает, можно почитать в статье, как соединены атомы.
Итак, электроны. Как же их привести в “направленное движение”?. Ведь, по сути, они и так двигаются, но только по своим орбитам, а нам нужно, чтоб они двигались вдоль проводника. Нужна какая-то сила или причина, чтобы это произошло. И такая сила есть! Она так и называется – электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС – это сторонний источник (к примеру батарейка или генератор) который подсоединяется к нашему проводнику и создаёт там напряжение, которое заставляет электроны “срываться” со своих орбит, и перескакивать на орбиты других атомов.
И так по цепочке вплоть до конечного получателя. Получается, что и в каждом проводе (к примеру от утюга или смартфона) уже есть эл. ток, и в человеческом теле тоже есть эл. ток, но только он не приведён в движение (там и там электроны). И если на человека подать напряжение (пальцы в розетку), то в теле начнётся процесс перемещения электронов с тех мест, где они должны быть, на те места, где они быть не должны. Человека начинает трясти, и если этот процесс не остановить, человеческое тело погибнет. Осталось только разобраться, как именно напряжение заставляет электроны направленно двигаться, пропихивая их вдоль проводника.
Напряжение и разность потенциалов.
По сути, напряжение – это явление, которым косвенно научился пользоваться человек, до конца не понимая его природу. Человек уловил, что каждая материя стремится к устойчивости (гармонии). И если эту гармонию разрушить, то на восстановлении этой гармонии можно “прокатиться” или “нагреть руки” (т.е. использовать с пользой для себя).
В напряжении, гармонией будет является кол-во электронов в определённой области. И если в какой-либо области, электронов станет много, то они при первой же возможности “побегут” туда, где их мало. Такую искусственную ситуацию создаёт обычная батарейка:
Батарейка “специально” создаёт избыток электронов в одной своей части, и их дефицит в другой. И электроны вынуждено “бегут” по проводнику, что нам и нужно. И чем выше будет создан этот искусственный дисбаланс (разность потенциалов), тем мощнее побегут электроны. Такова суть напряжения.
Обратите внимание, что на картинке электроны бегут от минуса к плюсу, хотя в классической физике принято считать наоборот =)
Не будем углубляться, что такое Анод и Катод, а вот что такое “плюс” и “минус” надо разобраться т.к. к нашему первоначальному определения эл. тока иногда добавляют соответствующую фразу: Эл. ток – это направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов от плюса к минусу.
Плюс и минус это полюса.
А что такое полюс? Полюса бывают же и у нашей Земли, и у магнита, а в батарейке что это? А это просто концы батарейки (клеммы) для условного обозначения. Вот так, казалось бы, просто? Да, просто, если опустить следующий вопрос: Почему электроны бегут от минуса к плюсу, а в некоторых случаях наоборот?. Увы, но классическая физика внятного ответа на этот вопрос дать не может. Ближе к концу, мы попробуем разобраться в этом вопросе самостоятельно…
Постоянный и переменный ток.
Итак, всё, о чём писалось выше, касалось только постоянного тока. Т.е. движение электронов было однонаправленным и не на миг не прерывалось. Переменный же ток имеет всю ту же природу, но только меняет своё направление 50 раз за 1 секунду.
Т.е. электроны бегут то вперёд, то обратно, то вперёд, то обратно. И так 50 раз за 1 секунду, если мы говорим о бытовой розетке. Как же розетке удаётся так ими руководить? А дело в том, что источник (спрятанный за розеткой) меняет полюса местами 50 раз в секунду, соответственно и электроны меняют своё направление 50 раз в секунду.
Вот и вся принципиальная разница между постоянным и переменным током.
Ну и что же тогда получается… когда все электроны истратятся, электрический ток кончится как исчерпаемый ресурс? Или они безконечные? Нет, электроны никуда не тратятся и не испаряются. Нужно помнить, что, как и в постоянном, так и в переменном токе эл. цепь всегда замкнута. И у розетки, и у батарейки есть “вход” и “выход”. В случае постоянного тока, электроны бегают по кругу, многократно проходя через свой “родной” первоначальный атом, стремясь устранить дисбаланс, который мы постоянно искусственно создаём. А в случае переменного тока, электроны не успевают далеко убежать и возвращаются на свои “родненькие” атомы т.к. источник меняет полюса местами.
Электроны никто не съедает. Это не бензин, который перерабатывается и превращается в выхлопной газ. Тогда как мы получаем энергию от электричества если мы ничего не тратим?! А нужно вспомнить первоначальное определение эл. тока, что эл. ток – это движение электрических зарядов, а не электронов.
А электрон – это носитель заряда. Ну и какой же количественный заряд имеет 1 электрон? 1 электрон имеет отрицательный заряд равный – 1.6 x 10-19 Кл. (Кл – Кулон). Стоп, как что-то, что имеет определённую энергию, которая тратится на какую-либо полезную работу может иметь отрицательный заряд?! А вот так и может, т.к. это условность, которую ввели физики/теоретики, чтоб хоть как-то обозначить отношения ядра атома и электронов, которые мотаются вокруг него. Помните неведомый закон природы, что все стремится к гармонии (равновесию)? Так физики тут обозначили это равновесие указав, что протоны ядра атома имеют положительный заряд, а электроны, мотающиеся вокруг этого ядра, имеют отрицательный заряд. Баланс? Баланс. Но всё равно, как-то запутанно. Сложно в голове представить, что такое электрон (т.к. он проявляет себя не только как материя, но и как волна), а тут ещё он отрицательно заряженный…
Чувствуете, что чем дальше мы пытаемся вникнуть в суть природы явления эл.
тока, тем больше мы сталкиваемся с новыми явлениями, вещами и терминологией, которые всё только усложняют и превращают в бессмыслицу? Это явный показатель того, что внятного и точно понимания природы эл. тока у современного научного мира нет. Человек методом проб и ошибок нашёл способ поставить это явление себе на службу, но как внятно это объяснить…загвоздочка…
Поэтому я предлагаю взглянуть на этот вопрос с другой позиции, более современной, внятной и я б даже сказал революционной.
Принципиально новый взгляд.
Как нынешняя физика требует большого труда, чтоб разобраться что такое эл. ток, так и принципиально новый взгляд потребует отбросить “шоры”, навешанные современной наукой, чтобы суметь “увидеть” протекающие процессы, на которые мы ранее не обращали внимание.
И в первую очередь, внимание стоит обратить на то, что в некоторых вопросах научный мир всё же вынужденно и открыто сдаётся, т.к. он не может предположить, в чём причина того или иного явления.
Например, в вопросе “почему галактики двигаются и вращаются?” научный мир обозначил эту неведомую силу как “тёмная материя”, т.е. неизвестно что (тёмная материя) двигает галактики, что составляет 90% материи большого космоса. Но что именно представляет из себя тёмная материя, современный научный мир не знает даже приблизительно.
Как водится, начнём издалека.
Всё наше пространство неоднородно. Т.е. свойства и качества пространства меняются в зависимости от того, где мы находимся в этом пространстве. Глупо отрицать это. Простой пример с открытием глаз под водой подтверждает это. Те предметы, которые мы увидим под водой, буду отличиться от того, если бы мы их увидели в воздушной среде. Более того, анализ радиоволн от отдалённых галактик, сделанный доктором Джорджем Нодландом и доктором Джоном Ралстоном, подтвердили это в научном мире. Так вот, внутри этих неоднородностей пространства, могут формироваться звёзды и планеты.
Принципиально новый подход говорит, что вся наша Вселенная состоит из 7-ми первичных материй, которые взаимодействуя между собой образуют всё физ.
вещество нашей Вселенной. Последовательно сливаясь между собой, каждая новая гибридная материя образует новое вещество внутри предыдущего гибридного вещества:
Так, внутри неоднородности, образовалась наша планета Земля. Это понимание очень важно для последующего понимания, что такое электрон и что такое эл.ток.
Можно сказать, что процессы протекающие на уровне галактик, звёзд и планет – это процессы макропространства, а процессы протекающие на уровне атома – это процессы микропространства.
Теперь представим ситуацию на уровне микропространства, что у нас слилось 6 первичный материй, а 7-ая не может, т.к. ей не хватает совсем чуть-чуть деформации самого микропростнаства. Но само пространство (микро и макро) никогда не находится в статическом положении. Всегда есть (хоть и небольшие) колебания. И как только это колебание достигает нашей деформации, оно кратковременно накладывается на нашу деформацию. На короткое время возникают условия, при которых все семь первичных материй в состоянии слиться и образовать гибридную форму.
Начинается процесс синтеза, появляется материальное облако, которое начинает уплотняться, но процесс уплотнения не успевает завершиться. Именно это материальное облако и называют электроном! Получается, что электрон – это крайне неустойчивая материя, которая постоянно балансирует на грани синтеза и распада.
Тогда как же он двигается вокруг атома? А он вообще не двигается в физически плотной среде, и в первую очередь потому, что электрон не является в полном смысле физически плотной материей, а есть, ни что иное, как крайне неустойчивое граничное состояние этой материи. Электрон просто материализуется и распадается в разных участках орбиты атома, следуя “воле” волнам, которые несут так недостающую деформацию для слияния 7-ми первичных материй.
Раз электроны не двигаются вокруг ядра атома, значит они и не бегают вдоль проводника, как мы это указывали в первоначальном определении. Тут нужно вспомнить, что проводник (металл) имеет кристаллическую структуру (атомы жестко и упорядоченно “сцеплены”), и если в проводнике создать горизонтальный перепад мерности (неоднородность), то все материи, формирующие электроны в физ.
мире буду “сноситься” в одну сторону, а вторая сторона потребует действий, чтоб как-то компенсировать недостаток материй. Именно процесс восстановления баланса нехватки первичных материй и электронов и будет называться электрическим током.
Тут требуется пояснить, что каждая материя имеет свой собственный уровень мерности т.е. свои свойства и качества, которые она может проявить только в определённых условиях (пространстве). И если она туда не попадёт, то никак себя и не проявит. Материя стремится занять положение, где свойства и качества самой материи, будут тожественны свойствам и качествам пространства. Именно этим объясняется стремление материи к устойчивости, о котором говорилось выше.
Горизонтальный перепад мерности создаёт условия, при которых, положительные ионы должны двигаться против перепада, в то время, как отрицательные ионы—вдоль этого перепада мерности. Положительные ионы вынуждены двигаться «против течения», в то время как отрицательные «по течению».
В результате этого скорость движения, а следовательно энергия положительных ионов уменьшается, а отрицательных ионов — увеличивается. Ускоренные подобным образом отрицательные ионы, при столкновении с кристаллической решёткой, теряют избыточные электроны, становясь нейтральными атомами. Кристаллическая решётка, при этом, приобретает дополнительные электроны. И, если теперь, соединить между собой эти две пластины с разными уровнями собственной мерности посредством провода из совместимого с ними материала, то в последнем (проводе) возникнет, так называемый, постоянный электрический ток — направленное движение электронов от плюса к минусу, где плюс—пластина, имеющая больший уровень собственной мерности, а минус — пластина имеющая меньший уровень собственной мерности. И если продолжить данный анализ, то перепад потенциалов между пластинами есть ни что иное, как перепад уровней собственной мерности кристаллических решёток этих пластин.
Сложно “въехать” в понятие эл.тока. А уж принципиально новый взгляд освоить и того сложнее.
Чем больше изучаешь новую позицию, тем больше накапливается вопросов. Поэтому, если ваше любопытство ещё не остыло, отправляю вас к источнику столь замечательного и полезного труда “Неоднородная Вселенная” Н.В. Левашова, который распространяется в интернете абсолютно безплатно. Сам автор гораздо более детальнее и яснее изложит свою позицию.
Электрический ток, что это такое и какова его природа. « ЭлектроХобби
В статье о статическом электричестве, мы выяснили, что такое электрические заряды. Давайте рассмотрим теперь следующее важное понятие: что такое электрический ток. Обычно, в учебной литературе даётся такое определение: Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Человеку, который получал хорошие отметки в школе по урокам физики и химии, конечно понятно о чём идёт речь, но многим людям, это ни о чём не говорит.
Итак из определения ясно, что происходит ток заряженных частиц, то есть эти самые частицы откуда-то и куда-то текут.
Но перед тем как двигается дальше, давайте с Вами уточним одну вещь. Условно принято и считается что в твёрдых телах таких как металл либо графит, носителем таких электрических зарядов является « электрон », а в жидкостях « ионы ». С электроном мы немного знакомы, а вот что же такое ион?
Слово Ион, изначально происходит от греческого слова «идущий» и формулируется как электрически заряженная частицы, имеющая одноатомную либо многоатомную структуру и появляющаяся в результате потери или наоборот присоединения одного либо нескольких электронов в себе. Другими словами если атом или молекула утратила или приобрела хотя бы один лишний электрон, то она превращается в это самый ион. Она из нейтрального состояния перешла в состояния потенциала со значением «+» при потери электрона и «-» с добавлением. С этим думаю понятно.
Другим важным моментом является понятие о свободных электронах. Представите себе пористую губку для мойки посуды, это будет кристаллическая решетка вещества (в нашем случае металла) и, как известно в металлах существуют эти самые свободные электроны, которые блуждают, перепрыгивая с одного атома на другой внутри этой кристаллической решетке в виде губки.
Благодаря этому свойству, металлы и проводят электрический ток.
Если взять один, какой либо заряженный предмет, в котором существует избыток электронов и другой, в котором будет из недостаток, а так же соединим их металлической проволокой, то в итоге произойдет быстрое перетекания от большего к меньшему, до полного выравнивания общего потенциала.
А в результате этого мы получили тот самый электрический ток по проводу, а точнее внутри провода, о котором и шла речь. Сила тока, это количество электронов, которое проходит в единицу времени. От неё зависит мощность. Единицей измерения тока, является Ампер.
Немного себя поправлю — Свободные электроны в металле являются необходимым условием для электрического тока, поскольку если в веществе они крепко привязаны к атому и у них не хватает силы вырваться со своей орбиты, в результате и перетекания ни будет. Такие вещества уже называются диэлектриками и соответственно используются для изоляции проводов. Ну, это совсем иная тема.
Теперь думаю, Вы уловили саму суть и поняли, что такое электрический ток и как он действует на самом деле. Коротко говоря — это и есть перетекание заряженных частиц с одного места в другое. А уж, как и в чём они перетекут, это другой разговор, либо по проводам, либо в жидкости или в небе между воздухом. Главное то, как это явление можно использовать с выгодой для человека, что собственно благополучно и делается нами электриками.
P.S. В мире всё течёт и всё меняется, электрический ток не исключение.
Электрический ток
Единица электрического заряда — кулон (сокращенно C). Обычная материя состоит из атомов, которые имеют положительно заряженные ядра и окружающие их отрицательно заряженные электроны. Заряд квантуется как кратное заряду электрона или протона:
Влияние зарядов характеризуется силами между ними (закон Кулона) и создаваемым ими электрическим полем и напряжением. Один кулон заряда — это заряд, который будет проходить через лампочку мощностью 120 ватт (120 вольт переменного тока) за одну секунду.
Два заряда одного кулона
каждый, разделенный метром, будет отталкивать друг друга с силой около миллиона тонн!Скорость прохождения электрического заряда называется электрическим током и измеряется в амперах.
Представляя одно из фундаментальных свойств материи, возможно, уместно указать, что мы используем упрощенные наброски и конструкции, чтобы представить
концепции, и в истории неизбежно гораздо больше. Не имеет значения
следует прикрепить к кружкам, представляющим протон и электрон, в
чувство
подразумевая относительный размер, или даже что они являются твердой сферой
объекты,
хотя это полезная первая конструкция.Самое важное
начальная идея,
электрически, это то, что у них есть свойство, называемое «заряд», который
такой же
размер, но противоположные по полярности для протона и электрона. В
протон имеет
1836 раз больше массы электрона, но точно такого же размера
стоимость только
скорее положительный, чем отрицательный. Даже термины «положительный» и
«отрицательные»
произвольные, но хорошо укоренившиеся исторические ярлыки.
Жизненноважный
значение
в том, что протон и электрон будут сильно притягивать друг друга.
другое — исторический архетип клише «противоположности притягиваются».Два
протоны или два электрона сильно отталкиваются друг от друга. Однажды ты
имеют
установил эти основные представления об электричестве, «как заряды
отталкивать и
в отличие от обвинений привлекают «, то у вас есть основание для
электричество и можно строить оттуда.
Из точной электрической нейтральности объемного вещества, а также из детальных микроскопических экспериментов мы знаем, что протон и электрон имеют одинаковую величину заряда. Все заряды, наблюдаемые в природе, кратны этим фундаментальным зарядам.Хотя стандартная модель протона изображает его состоящим из дробно заряженных частиц, называемых кварками, эти дробные заряды не наблюдаются изолированно — всегда в комбинациях, которые производят +/- заряд электрона.
Изолированный одиночный заряд можно назвать «электрическим монополем». Равные положительный и отрицательный заряды, помещенные близко друг к другу, составляют электрический диполь.
Два противоположно направленных диполя, расположенных близко друг к другу, называются электрическим квадруполем.Вы можете продолжить этот процесс для любого количества полюсов, но здесь упоминаются диполи и квадруполи, потому что они находят важное применение в физических явлениях.
Одна из фундаментальных симметрий природы — сохранение электрического заряда. Ни один из известных физических процессов не приводит к чистому изменению электрического заряда.
Что такое электрический ток? Определение, единица измерения и направление тока
Определение : Электрический ток определяется как скорость протекания отрицательных зарядов проводника.Другими словами, непрерывный поток электронов в электрической цепи называется электрическим током. Проводящий материал состоит из большого количества свободных электронов, которые беспорядочно перемещаются от одного атома к другому.
Единица тока
Поскольку заряд измеряется в кулонах, а время — в секундах, единицей измерения электрического тока является кулон / сек ( C / s, ) или амперы ( A, ).
Амперы — это единица измерения SI проводника. I — символическое представление тока.
Таким образом, считается, что по проводу проходит ток в один ампер, когда по нему течет заряд со скоростью один кулон в секунду.
Когда к металлическому проводу прикладывается разность электрических потенциалов, свободно прикрепленные свободные электроны начинают двигаться к положительному выводу ячейки, показанной на рисунке ниже. Этот непрерывный поток электронов составляет электрический ток. Токи в проводе протекают от отрицательного вывода ячейки к положительному выводу через внешнюю цепь.
Условное направление потока тока
Согласно теории электронов, когда к проводнику прикладывается разность потенциалов, через цепь протекает какое-то вещество, составляющее электрический ток. Считалось, что это вещество течет от более высокого потенциала к более низкому потенциалу, то есть положительный вывод к отрицательному выводу ячейки через внешнюю цепь.
Это соглашение о протекании тока настолько твердо установлено, что оно все еще используется.Таким образом, обычное направление потока тока — от положительного вывода элемента к отрицательному выводу элемента через внешнюю цепь. Величина протекания тока на любом участке проводника — это скорость потока электронов, то есть заряда, протекающего в секунду.
Математически это представлено как
В зависимости от протекания электрического заряда ток в основном подразделяется на два типа: переменный ток и постоянный ток. При постоянном токе заряды протекают в одном направлении, тогда как при переменном токе заряды протекают в обоих направлениях.
Что сейчас? — Определение с сайта Whatis.com
К Что сейчас? Ток — это поток носителей электрического заряда, обычно электронов или электронно-дефицитных атомов. Обычным обозначением тока является заглавная буква I. Стандартной единицей измерения является ампер, обозначаемый буквой A.
Один ампер тока представляет один кулон электрического заряда (6,24 x 10 18 носителей заряда), проходящего мимо определенной точки за одну секунду. .Физики считают, что ток течет от относительно положительных точек к относительно отрицательным точкам; это называется обычным током или током Франклина. Электроны, наиболее распространенные носители заряда, заряжены отрицательно. Они перетекают из относительно отрицательных точек в относительно положительные.
Электрический ток может быть постоянным или переменным. Постоянный ток (DC) течет в одном и том же направлении во все моменты времени, хотя мгновенная величина тока может варьироваться.В переменном токе (AC) поток носителей заряда периодически меняет направление на противоположное. Количество полных циклов переменного тока в секунду — это частота, которая измеряется в герцах. Примером чистого постоянного тока является ток, производимый электрохимической ячейкой.
Выход выпрямителя источника питания до фильтрации является примером пульсирующего постоянного тока. Выход из розеток общего пользования — переменный ток.
Ток на единицу площади поперечного сечения известен как плотность тока .Он выражается в амперах на квадратный метр, в амперах на квадратный сантиметр или в амперах на квадратный миллиметр. Плотность тока также можно выразить в амперах на круговой мил. Как правило, чем больше ток в проводнике, тем выше плотность тока. Однако в некоторых ситуациях плотность тока варьируется в разных частях электрического проводника. Классическим примером является так называемый скин-эффект , при котором плотность тока высока около внешней поверхности проводника и низкая — около центра.Этот эффект возникает при переменном токе на высоких частотах. Другой пример — ток внутри активного электронного компонента, такого как полевой транзистор (FET).
Электрический ток всегда создает магнитное поле.
Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле. Пульсирующий постоянный ток или переменный ток обычно создает электромагнитное поле. Это принцип, по которому происходит распространение беспроводного сигнала.
См. Также напряжение, сопротивление и закон Ома.
Последнее обновление: октябрь 2021 г.
Электрический ток — Энергетическое образование
Электрический ток , также называемый амперами, — это количество электрического заряда, протекающего в секунду в проводнике. Это то, что передает электроэнергию от электростанций через систему передачи и распределительную сеть для промышленного и домашнего использования электроэнергии. Это иначе известно как электричество.Сила тока определяется количеством заряда, протекающего в секунду, и измеряется в амперах, сокращенно A или ампер. Когда электрический заряд течет в одном направлении, это называется постоянным током, а когда электрический заряд колеблется взад и вперед в чередующихся направлениях, это называется переменным током.
Величину постоянного тока можно рассчитать по следующей формуле:
- [math] I = \ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} [/ math]
- [math] I [/ math] = ток в амперах,
- [math] \ Delta Q [/ math] = заряд в кулонах, проходящий мимо данного места, и
- [math] \ Delta t [/ math] = прошедшее время в секундах.
Однако кулоны заряда нельзя измерить напрямую, поэтому для измерения тока обычно используется устройство, известное как мультиметр. Переменный ток использует аналогичное уравнение для определения силы тока, но математика становится немного сложнее, поскольку направление движущегося заряда быстро меняется.
По соглашению термин «ток» (также называемый обычным током) определяется как заряды, перемещающиеся от положительного вывода к отрицательному. Также существует термин «поток электронов», который используется для определения зарядов, движущихся от отрицательного вывода к положительному.Обратите внимание, что это противоположности.
Обычный ток более популярен, хотя можно использовать любой термин, если это делается последовательно, чтобы избежать путаницы. Популярный веб-комикс о том, как определяются положительные и отрицательные заряды, можно найти на сайте XKCD.
Всякий раз, когда ток проходит через компонент или цепь, часть энергии теряется на нагрев. Некоторые специальные приложения, например тостеры, используют это тепло. Часто это тепло является неэффективностью системы, например, при передаче электроэнергии.Избыточное тепло может быть настоящей неприятностью в некоторых приложениях, таких как настольные компьютеры, которые имеют тенденцию к перегреву и требуют вентиляторов, которые циркулируют воздух для охлаждения.
Переключатели используются для почти мгновенного отключения (или включения) тока. Как только заряду некуда податься (помните, ток перемещается только при полном замыкании), ток прекращается. Если начинает течь слишком большой ток, специальный переключатель действует как мера безопасности для автоматического отключения тока.
Эти меры аварийной безопасности включают предохранители и автоматические выключатели.
Ток и магнитные поля
Электрический ток порождает магнитные поля, что было обнаружено Гансом Эрстедом в 1819 году. Вскоре эта идея была развита в работах Андре-Мари Ампера, [1] Жан-Батист Био и Феликс Савар сформировали первые законы электромагнетизма. . [2] Электродвигатели — обычное применение этого явления — использование токов и их магнитных полей для преобразования электрической энергии в механическую.
Для дальнейшего чтения
Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:
Чтобы узнать о физике электрического тока, обратитесь к гиперфизике.
Список литературы
Количественное определение электрического тока — Nexus Wiki
Когда у нас есть движущийся заряд, мы количественно оценим его количество так же, как мы количественно определяли поток жидкости — подсчитывая, сколько проходит поверхность за заданный промежуток времени.
Чтобы быть точным, давайте поговорим об электронах, движущихся по проводу.
Предположим, что электроны всегда уравновешиваются равной и противоположной плотностью положительных ионов, поэтому провод остается нейтральным, даже если электроны движутся внутри него.Если бы это было НЕ так, то где-то произошло бы накопление заряда, и это потребовало бы энергии и усложнило бы наше обсуждение. Это действительно происходит — скажем, в конденсаторе или при обрыве провода и прекращении протекания тока, но разрабатываемые нами концепции (емкость и сопротивление) позволяют разделить эти события. В нашем обсуждении тока мы предполагаем, что для любого сегмента провода в любую единицу времени входит столько электронов, сколько их выходит.
Определение тока
Для данного провода мы определим количество электрического тока в проводе, представив поверхность, разрезающую провод.Затем мы спрашиваем, сколько заряда проходит через эту поверхность в единицу времени? В уравнениях это:
$$ I = \ frac {\ Delta q} {\ Delta t} $$
, где $ I $ определяется как — величина тока, протекающего в проводе , а $ Δq $ — это количество заряда, пересекающего поверхность, перпендикулярную проводу, за время $ Δt $.
Обратите внимание, что у нас есть заряд, пересекающий поверхность, хотя провод нейтральный. Это потому, что, хотя есть баланс положительных и отрицательных зарядов, только отрицательные электроны пересекают поверхность.Положительные ионы остаются фиксированными.
Размерность и единицы тока довольно просты. Размерность всего
$$ [I] = \ mathrm {Q / T} $$
Ток — это заряд, разделенный на время. Мы определяем натуральную единицу, кулон / секунду, как ампер .
1 ампер = 1 кулон в секунду.
Проблема знаков
Один из аспектов электрического тока, который часто сбивает с толку, — это вопрос о знаке . Поскольку у нас могут быть как положительные, так и отрицательные заряды, движущиеся в обоих направлениях, удобно включить знак в наш ток.Вот как это работает:
- Мы выбираем направление провода, которое обозначим как положительное.
- Мы выбираем поверхность, пересекающую наш провод, которая определяет положение, в котором мы хотим измерить ток.
- Если у нас есть положительные заряды, пересекающие поверхность, движущиеся в положительном направлении, мы обозначаем это как положительный ток.
- Если направление меняется на противоположное, ставим знак минус.
- Если знак заряда меняется на противоположный, ставим знак минус.
Возможно, вы заметили здесь сбивающий с толку элемент.Если у нас есть отрицательные заряды, пересекающие нашу поверхность, движущиеся в отрицательном направлении, это соответствует положительному току! Да, мы это делаем именно так, и это действительно работает *. Это показано на рисунке ниже.
Когда мы анализируем электрические цепи, вы можете расстроиться, потому что до решения проблемы не знаете, в каком направлении движется заряд. Не беспокойтесь об этом! Выберите направление и назовите его позитивным. Если вы ошиблись, ваша алгебра скажет вам, что ток отрицательный — идет в другом направлении!
Подключение к микроскопу модели
Полезно связать наше определение тока с моделью отдельных движущихся зарядов.
Мы делаем это очень похоже на то, как мы анализировали движение молекул в идеальном газе.
Предположим, что у нас есть ток движущихся зарядов (и мы будем рассматривать их как положительные для простоты), движущийся вправо, как показано на рисунке ниже синим цветом. Уравновешивающие их неподвижные противоположные заряды не двигаются и показаны красным цветом. (Обратите внимание, что провод остается нейтральным, даже когда заряды движутся.) Рассмотрим скорость, с которой движущиеся синие заряды пересекают поверхность с площадью $ A $, перпендикулярной проводу (показана фиолетовым цветом).
Сколько заряда пересекает область $ A $ за время $ \ Delta t $? Предположим, что
- каждый движущийся заряд, составляющий ток, имеет заряд, $ q $
- плотность движущегося заряда на единицу объема составляет n $
- скорость движущихся зарядов $ v $
Любой движущийся заряд, который меньше расстояния $ Δx = vΔt $ от поверхности $ A $, пройдет до конца нашего временного интервала.
Если он будет дальше назад, он этого не сделает. (На нашем рисунке 7 синих зарядов пересекут поверхность $ A $ за время $ \ Delta t $.) Следовательно, все заряды в объеме $ AΔx $ пройдут за указанный промежуток времени. Итак:
- объем, который проходит = $ AΔx $
- количество зарядов в том объеме, которые проходят = $ nAΔx $
- сумма заряда, который проходит = $ qnAΔx $
Таким образом, ток равен количеству заряда, который проходит за время $ Δt $, деленному на $ Δt $ .
$$ I = (qnAΔx) / Δt = qnvA $$
Полезная конструкция — это величина протекающего тока на единицу площади.Мы называем это плотностью тока , $ J $.
$$ J = qnv. $$
Тогда $ J $ — это ток на единицу площади , поэтому ток будет записан
$$ I = JA. $$
(Иногда $ J $ рассматривается как вектор в направлении $ v $. Тогда $ \ overrightarrow {J} $ является вектором. Чтобы вернуть ток, вы должны взять скалярное произведение с вектором область: $ I = \ overrightarrow {J} \ cdot \ overrightarrow {A} $.
Комментарий к случайности
Хотя мы описали заряды в токе как движущиеся с постоянной скоростью, на самом деле из-за тепловых движений скорости отдельных зарядов на самом деле изменяются случайным образом.Обычно скорости атомов, молекул и электронов в среднем равны 0. В случае, когда они движутся (скажем, из-за электрической силы), их скорости будут смещены в направлении силы, и не будет — нулевая средняя скорость, называемая скоростью дрейфа . (Конечно, для электронов в металле это сложнее точно описать и требует квантовой механики.)
* Причина, по которой у нас есть это соглашение, заключается в том, что Бенджамин Франклин выбрал его, когда не знал, какие заряды движутся по проводам.Инженеры-электрики, которые часто работают с током, переносимым электронами в проводах, обычно находят это более раздражающим, чем биологов, поскольку в биологии часто движущиеся заряды являются ионами и могут быть положительными (Na + , K + ), а также отрицательный.
У мультипликационной ленты xkcd есть хороший комментарий по этому поводу.
Джо Редиш 25.02.12
Электрический ток — Университетская физика, том 2
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Опишите электрический ток
- Определите единицу измерения электрического тока
- Объясните направление тока
До сих пор мы рассматривали в основном статические заряды.Когда заряды действительно двигались, они ускорялись в ответ на электрическое поле, создаваемое разностью напряжений. Заряды теряли потенциальную энергию и приобретали кинетическую энергию, когда они проходили через разность потенциалов, где электрическое поле действовало на заряд.
Хотя заряды не требуют прохождения материала, большая часть этой главы посвящена пониманию движения зарядов через материал. Скорость, с которой заряды проходят мимо места, то есть количество заряда в единицу времени, известна как электрический ток .
Когда заряды протекают через среду, ток зависит от приложенного напряжения, материала, через который протекают заряды, и состояния материала. Особый интерес представляет движение зарядов в проводящем проводе. В предыдущих главах заряды ускорялись из-за силы, создаваемой электрическим полем, теряя потенциальную энергию и приобретая кинетическую энергию. В этой главе мы обсуждаем ситуацию силы, создаваемой электрическим полем в проводнике, когда заряды теряют кинетическую энергию в материале, достигая постоянной скорости, известной как « дрейфовая скорость ».Это аналогично тому, как объект, падающий через атмосферу, теряет кинетическую энергию в воздух, достигая постоянной конечной скорости.
Если вы когда-либо проходили курс по оказанию первой помощи или технике безопасности, вы, возможно, слышали, что в случае поражения электрическим током важным фактором, влияющим на силу удара и количество ударов током, является сила тока, а не напряжение. повреждение человеческого тела.
Ток измеряется в единицах, называемых амперами; Возможно, вы заметили, что автоматические выключатели в вашем доме и предохранители в машине имеют номинал в амперах (или амперах).Но что такое ампер и что он измеряет?
Определение тока и ампера
Электрический ток определяется как скорость, с которой протекает заряд. При наличии большого тока, например, используемого для работы холодильника, большое количество заряда перемещается по проводу за небольшой промежуток времени. Если ток небольшой, например, используемый для работы портативного калькулятора, небольшое количество заряда перемещается по цепи в течение длительного периода времени.
Большинство электроприборов рассчитаны на токи (или амперы), необходимые для правильной работы, равно как и предохранители и автоматические выключатели.
Скорость потока заряда текущая. Ампер — это поток одного кулона заряда через область за одну секунду. Ток в один ампер будет результатом протекания электронов через область A каждую секунду.
Расчет среднего тока Основное назначение аккумулятора в легковом или грузовом автомобиле — запускать электрический стартер, который запускает двигатель. Для запуска двигателя требуется большой ток, подаваемый аккумулятором. После запуска двигателя устройство, называемое генератором переменного тока, берет на себя подачу электроэнергии, необходимой для работы транспортного средства и зарядки аккумулятора.
(a) Какой средний ток возникает, когда аккумулятор грузового автомобиля приводит в движение 720 C заряда за 4,00 с при запуске двигателя? (b) Сколько времени требуется 1,00 C для зарядки аккумулятора?
Стратегия Мы можем использовать определение среднего тока в уравнении, чтобы найти средний ток в части (а), поскольку даны заряд и время. Что касается части (b), когда мы знаем средний ток, мы можем определить его, чтобы найти время, необходимое для того, чтобы заряд 1,00 C прошел от батареи.
Решение а. Ввод данных значений заряда и времени в определение тока дает
г. Решение зависимости времени и ввод известных значений заряда и тока дает
Значение а. Это большое значение тока иллюстрирует тот факт, что большой заряд перемещается за небольшой промежуток времени. Токи в этих «стартерных двигателях» довольно велики, чтобы преодолеть инерцию двигателя. б. Сильный ток требует короткого времени для подачи большого количества заряда.Этот большой ток необходим для подачи большого количества энергии, необходимой для запуска двигателя.
Проверьте свои знания В портативных калькуляторах часто используются небольшие солнечные элементы для обеспечения энергии, необходимой для выполнения расчетов, необходимых для выполнения следующего экзамена по физике. Ток, необходимый для работы вашего калькулятора, может составлять всего 0,30 мА. Сколько времени потребуется, чтобы заряд 1,00 C потек из солнечных элементов? Можно ли использовать солнечные элементы вместо батарей для запуска традиционных двигателей внутреннего сгорания, которые в настоящее время используются в большинстве легковых и грузовых автомобилей?
Время для 1.00 C заряда для протекания будет, чуть меньше часа. Это сильно отличается от 5,55 мс для аккумулятора грузовика. Калькулятор требует очень мало энергии для работы, в отличие от стартера грузовика. Есть несколько причин, по которым в автомобилях используются батареи, а не солнечные элементы. Помимо очевидного факта, что источник света для запуска солнечных элементов в автомобиле или грузовике не всегда доступен, большое количество тока, необходимого для запуска двигателя, не может быть легко обеспечено современными солнечными элементами.Солнечные элементы могут быть использованы для зарядки батарей. Зарядка аккумулятора требует небольшого количества энергии по сравнению с энергией, необходимой для работы двигателя и других аксессуаров, таких как обогреватель и кондиционер. Современные автомобили на солнечных батареях питаются от солнечных батарей, которые могут приводить в действие электродвигатель, а не двигатель внутреннего сгорания.
Проверьте свое понимание Автоматические выключатели в домашних условиях имеют номинальный ток, обычно в диапазоне от 10 до 30 ампер, и используются для защиты жителей от повреждений, а их приборы — от повреждений из-за больших токов.Один автоматический выключатель на 15 А можно использовать для защиты нескольких розеток в гостиной, а один автоматический выключатель на 20 А можно использовать для защиты холодильника на кухне. Что вы можете сделать из этого о токе, используемом различными приборами?
Суммарный ток, необходимый всем приборам в гостиной (несколько ламп, телевизор и ваш ноутбук), потребляет меньше тока и потребляет меньше энергии, чем холодильник.
Ток в цепи
В предыдущих параграфах мы определили ток как заряд, который проходит через площадь поперечного сечения в единицу времени.Для прохождения заряда через прибор, такой как фара, показанная на (Рисунок), должен быть полный путь (или цепь) от положительной клеммы к отрицательной. Рассмотрим простую схему автомобильного аккумулятора, выключателя, лампы фары и проводов, обеспечивающих ток между компонентами. Для того, чтобы лампа загорелась, должен быть полный путь прохождения тока. Другими словами, заряд должен иметь возможность покинуть положительную клемму батареи, пройти через компонент и вернуться к отрицательной клемме батареи.Переключатель предназначен для управления цепью. На части (а) рисунка показана простая схема автомобильного аккумулятора, выключателя, токопроводящей дорожки и лампы фары. Также показана схема [часть (b)]. Схема — это графическое представление схемы, которое очень полезно для визуализации основных характеристик схемы. В схемах используются стандартные символы для обозначения компонентов в цепях и сплошные линии для обозначения проводов, соединяющих компоненты. Батарея показана в виде серии длинных и коротких линий, представляющих историческую гальваническую батарею.Лампа изображена в виде круга с петлей внутри, что представляет собой нить накаливания. Переключатель показан в виде двух точек с проводящей перемычкой для соединения этих двух точек, а провода, соединяющие компоненты, показаны сплошными линиями. Схема в части (c) показывает направление тока, когда переключатель замкнут.
(а) Простая электрическая схема фары (лампы), аккумулятора и переключателя. Когда переключатель замкнут, непрерывный путь для прохождения тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с выводами батареи.(b) На этой схеме батарея представлена параллельными линиями, которые напоминают пластины в оригинальной конструкции батареи. Более длинные линии указывают на положительный вывод. Проводящие провода показаны сплошными линиями. Переключатель показан в разомкнутом положении в виде двух клемм с линией, представляющей токопроводящую шину, которая может контактировать между двумя клеммами. Лампа представлена кругом, охватывающим нить накаливания, как если бы это была лампа накаливания. (c) Когда переключатель замкнут, цепь замкнута, и ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.
Когда переключатель замкнут на (Рисунок) (c), существует полный путь для прохождения зарядов от положительной клеммы батареи через переключатель, затем через фару и обратно к отрицательной клемме батареи. Обратите внимание, что направление тока — от положительного к отрицательному. Направление обычного тока всегда представлено в направлении протекания положительного заряда от положительного вывода к отрицательному.
Обычный ток течет от положительной клеммы к отрицательной, но в зависимости от реальной ситуации положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое могут перемещаться.В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, движутся как положительные, так и отрицательные заряды. То же самое и с нервными клетками. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. В ускорителе Теватрон в Фермилабе, до его закрытия в 2011 году, сталкивались пучки протонов и антипротонов, движущихся в противоположных направлениях. Протоны положительны, и поэтому их ток в том же направлении, в котором они движутся.Антипротоны заряжены отрицательно, и, следовательно, их ток идет в направлении, противоположном направлению движения реальных частиц.
Более пристальный взгляд на ток, протекающий по проводу, показан на (Рисунок). На рисунке показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в направлении протекания положительного заряда, можно проследить до американского ученого и государственного деятеля Бенджамина Франклина 1700-х годов. Не зная о частицах, составляющих атом (а именно о протоне, электроне и нейтроне), Франклин полагал, что электрический ток течет от материала, который имеет больше «электрической жидкости», и к материалу, который имеет меньше этого «электрического флюида». электрическая жидкость.Он ввел термин , положительный, , для материала, в котором больше этой электрической жидкости, и , отрицательный, , для материала, в котором отсутствует электрическая жидкость. Он предположил, что ток будет течь от материала с большим количеством электрической жидкости — положительного материала — к отрицательному материалу, в котором меньше электрической жидкости. Франклин назвал это направление тока положительным током. Это было довольно продвинутое мышление для человека, который ничего не знал об атоме.
Ток I — это скорость, с которой заряд движется через область A , такую как поперечное сечение провода.Обычный ток определяется движением в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля, которое совпадает с направлением обычного тока. (б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток идет в направлении, противоположном движению отрицательного заряда. Поток электронов иногда называют электронным потоком.
Теперь мы знаем, что материал является положительным, если в нем больше протонов, чем электронов, и отрицательным, если в нем больше электронов, чем протонов.В проводящем металле ток в основном возникает из-за того, что электроны текут от отрицательного материала к положительному, но по историческим причинам мы рассматриваем положительный ток, и ток, как показано, течет от положительного вывода батареи к положительному. отрицательный терминал.
Важно понимать, что электрическое поле присутствует в проводниках и отвечает за производство тока ((Рисунок)). В предыдущих главах мы рассматривали случай статического электричества, когда заряды в проводнике быстро перераспределяются по поверхности проводника, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле и восстановить равновесие.В случае электрической цепи заряды никогда не достигают равновесия с помощью внешнего источника электрического потенциала, такого как батарея. Энергия, необходимая для перемещения заряда, обеспечивается электрическим потенциалом от батареи.
Хотя электрическое поле отвечает за движение зарядов в проводнике, работа, совершаемая над зарядами электрическим полем, не увеличивает кинетическую энергию зарядов. Мы покажем, что электрическое поле отвечает за поддержание движения электрических зарядов с «дрейфовой скоростью».”
Сводка
- Средний электрический ток — это скорость протекания заряда, определяемая выражением, где — количество заряда, проходящего через область во времени.
- Мгновенный электрический ток или просто ток I — это скорость, с которой протекает заряд. Принимая предел, когда изменение во времени приближается к нулю, мы имеем, где — производная заряда по времени.
- Направление обычного тока принимается за направление, в котором движется положительный заряд.В простой цепи постоянного тока (DC) это будет от положительной клеммы батареи к отрицательной.
- Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер или просто ампер (А), где.
- Ток состоит из потока свободных зарядов, таких как электроны, протоны и ионы.
Концептуальные вопросы
Может ли провод пропускать ток и оставаться нейтральным, то есть иметь нулевой общий заряд? Объяснять.
Если по проводу протекает ток, заряды входят в провод с положительной клеммы источника напряжения и уходят с отрицательной клеммы, поэтому общий заряд остается нулевым, пока через него протекает ток.
Автомобильные аккумуляторы указаны в ампер-часах. Какой физической величине соответствуют ампер-часы (напряжение, ток, заряд, энергия, мощность,…)?
При работе с мощными электрическими цепями рекомендуется по возможности работать «одной рукой» или «держать одну руку в кармане». Почему это разумное предложение?
Использование одной руки снижает вероятность «замыкания цепи» и протекания тока через ваше тело, особенно тока, протекающего через ваше сердце.
Глоссарий
- ампер (ампер)
- единица СИ для тока;
- цепь
- полный путь, по которому электрический ток проходит по
- условный ток
- Ток, который течет по цепи от положительной клеммы батареи через цепь к отрицательной клемме батареи
- электрический ток
- ставка, по которой идет начисление,
- схема
- графическое представление схемы с использованием стандартных символов для компонентов и сплошных линий для провода, соединяющего компоненты
Самый быстрый словарь в мире: словарь.com
электрический ток Поток электричества через проводник
электрическая цепь: электрическое устройство, обеспечивающее путь для прохождения электрического тока
электрическая цепь: электрическое устройство, обеспечивающее путь для прохождения электрического тока
электрическая розетка розетка, в которую можно вставить лампочку
электрический ожог ожог, вызванный теплом, выделяемым электрическим током
электродуговая печь электрическая печь, в которой электрическая дуга является источником тепла для производства стали
экваториальное течение Любое из океанских течений, текущих на запад у экватора
шунтировать проводник с низким сопротивлением параллельно другому устройству для отвода части тока
электропечь любая печь, в которой тепло обеспечивается электрическим током
Электростанция Коммунальное предприятие, обеспечивающее электроэнергией
электроорган (музыка) электронная симуляция органа
электрическая емкость электрическое явление, при котором сохраняется электрический заряд
шнур электрический световод бытовой
Розетка электрической розетки, обеспечивающая место в системе электропроводки, где ток может использоваться для работы электрических устройств
электрический контакт контакт, позволяющий току проходить от одного проводника к другому
плита электрическая кухонная плита, в которой тепло для приготовления пищи обеспечивается за счет электроэнергии
электрический дублет диполь с равными и противоположными электрическими зарядами
Розетка электрической розетки, обеспечивающая место в системе электропроводки, где ток может использоваться для работы электрических устройств