Меню

Однонаправленный ток заряженных частиц

Однонаправленный ток заряженных частиц

Электрическим током называют всякое упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ .

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах — это упорядоченное движение электронов.

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

где I — сила тока в проводнике, e — модуль заряда электрона, n — концентрация электронов проводимости, — средняя скорость упорядоченного движения электронов, S — площадь поперечного сечения проводника.

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j — плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна

где Na — постоянная Авогадро, A — атомная масса металла, ρ — плотность металла,

то получаем что концентрация определяется в пределах 10 28 — 10 29 м -3 .

Закон Ома для однородного участка цепи:

где U — напряжение на участке, R — сопротивление участка.

Для однородного участка цепи:

где ρ У — удельное сопротивление проводника , l — длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и эта зависимость выражается соотношением:

ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т )

где ρоу — удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α — термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т — Т о изменение температуры.

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов ).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где G — проводимость.

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией . Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы — к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом .

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

где ρ У — удельное сопротивление электролита , l — длина жидкого проводника, S — площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

где m — масса вещества, выделяющегося на электроде, k — электрохимический эквивалент, q — заряд, прошедший через электролит.

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

где М— молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z — валентность иона.

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

Объединенный закон Фарадея.

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию — энергию ионизации , количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна — для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы к катоду, отрицательные ионы и электроны — к аноду. Т.е. электрический ток в газах — это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС.

На участке графика ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к. ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения между электродами скорость направленного движения электронов и ионов возрастает, поэтому большая часть заряженных частиц достигает электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U 1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U2 . Такой ток называют током насыщения , и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда кинетическая энергия достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом . Такая зависимость выражена участком графика АС.

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е. необходимо создать определенные условия, которые помогут получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода . Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.

При нагревании металла количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией . Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит в основе принципа действия электронных ламп: вакуумного диода, вакуумного триода.

Вакуумный диод Вакуумный триод

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС D .

При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны. При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость силы тока от напряжения, т.е. в интервале напряжений U1 — U2 выполняется закон Ома.

Нелинейная зависимость на участке ВС D объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом значении напряжения U3 все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический ток достигает насыщения.

Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы.Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным движением любых заряженных частиц (электронов, ионов) .

Электрический ток в полупроводниках.

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10 -3 до 10 7 Ом • м. Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает возникновение свободных электронов и «дырок»- вакантных положительных мест с недостающим электроном.

При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя «дырку» в соседнем атоме. Таким образом не только электроны, но и «дырки» могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение — возникнет электрический ток.

Собственная проводимость.

В чистом кристалле электрический ток создается равным количеством электронов и «дырок». Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества «дырок» в полупроводниковом кристалле без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника .

При повышении температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и «дырок».

Читайте также:  Как приборы работают от переменного тока

Примесная проводимость.

Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый станет электроном проводимости.

При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и «дырки». Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством «дырок». Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является п олупроводником n -типа . Электроны являются основными носителями заряда, «дырки» — неосновными .

Акцепторная примесь — примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой незавершенной ковалентной связи образуется «дырка».

При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и «дырки». Поэтому в кристалле количество «дырок» преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p -типа . «Дырки» являются основными носителями заряда, электроны — неосновными .

p-n переход.

При контакте полупроводников p- типа и n -типа через границу происходит диффузия электронов из n -области в p- область и «дырок» из p- области в n -область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии. p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p- область была соединена с положительным полюсом , а n-область — с отрицательным полюсом, появляется движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p- область была соединена с отрицательным полюсом , а n-область — с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.

Принцип действия полупроводникового диода основан на свойстве односторонней проводимости p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода — выпрямитель тока.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой АОВ.

Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока, когда ток создается основными носителями зарядов, и при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО соответствует току, созданному неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики.

Источник

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

Слободянюк А.И. Физика 10/11.1

§11. Постоянный электрический ток

11.1 Характеристики электрического тока.

Все заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством электрических сил, которые для неподвижных частиц описываются законом Кулона. При относительном движении заряженных частиц сила взаимодействия изменяется. Следовательно, движущиеся частицы создают поле, отличное от электростатического, такое поле называется магнитным. Если заряженные частицы движутся хаотически, то суммарное магнитное поле оказывается равным нулю. Поэтому при описании движении заряженных частиц наибольший интерес представляет усредненное направленное движение, приводящее к переносу электрического заряда.

В настоящее время широко известно, что электрические заряды имеют дискретную структуру, то есть носителями зарядов являются элементарные частицы – электроны, протоны и т.д. Однако в большинстве практически значимых случаев эта дискретность зарядов не проявляется, поэтому модель сплошной электрически заряженной среды хорошо описывает явления, связанные с движением заряженных частиц, то есть с электрическим током.

В электростатике мы ввели понятие объемной плотности электрического заряда ρ, как усредненной характеристики распределения дискретных точечных зарядов. В рамках этой же модели можно говорить о движении зарядов как о движении некоторой сплошной среды и использовать математический аппарат, рассмотренный нами при описании движения жидкости, то есть ввести понятия скорости движения «электрической жидкости в данной точке», векторного поля скоростей, линиях тока и т.д. Однако нас интересует не столько движение самой «электрической жидкости», сколько электрический заряд переносимый ею.

Img Slob-10-11-268.jpg

Рассмотрим некоторую пространственную область, в которой движутся электрические заряды («электрическая жидкость»), на рисунке изображены линии тока этого движения. Выделим в этой области малую площадку площадью ΔS перпендикулярную линиям тока (рис. 268). Пусть скорость движения заряда в пределах площадки равна \(

\vec \upsilon\) . За промежуток времени Δt через площадку пройдет заряд, заключенный в объеме параллелепипеда длиной υΔt, опирающийся на выбранную площадку (рис. 269).

Img Slob-10-11-269.jpg

Величина этого заряда равна \(

\Delta q = \rho \upsilon \Delta t \Delta S\). Чтобы определить «точечную» характеристику переноса заряда разделим величину заряда, прошедшего через площадку, на площадь площадки и рассматриваемый промежуток времени. Полученная таким образом характеристика называется плотностью электрического тока

Имеет смысл считать данную характеристику векторной, направление которой совпадает с направлением скорости движения зарядов

\vec j = \rho \vec \upsilon\) . (2)

Таким образом, плотностью электрического тока называется векторная физическая величина, модуль которой равен количеству электрического заряда, протекающего в единицу времени через площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно направлению движения заряда, а направление совпадает с направлением переноса электрического заряда.

Для того чтобы плотность тока была определена «в каждой точке», рассмотренную площадку следует сделать бесконечно малой.

Img Slob-10-11-270.jpg

Рассмотрим определение плотности электрического тока с точки зрения дискретного описания. Выделим в объеме движения дискретных зарядов небольшую часть объемом ΔV, содержащую достаточно много заряженных частиц (рис. 270). Пронумеруем все заряженные частицы, находящиеся в этом объеме; обозначим величины зарядов этих частиц qk, а их скорости \(

\vec \upsilon_k\) (k = 1,2,3…N). Построим векторную сумму \(

\vec J = \sum_ \) . Если движение заряженных частиц является хаотическим, то есть скорости частиц равновероятно направлены во все стороны, то данная сумма будет приблизительно равна нулю, если же в движении заряженных частиц присутствует преимущественное направление, то построенная величина будет указывать направление переноса заряда и характеризовать количество этого заряда. Чтобы построенная таким образом характеристика была точечной, необходимо разделить ее на величину выделенного объема и устремить последний к нулю

Покажем теперь, что построенная таким образом величина совпадает с определенной нами выше плотностью тока. Для простоты будем считать, что все заряженные частицы одинаковы qk = q (например, электроны в металле). Определим среднюю арифметическую скорость движения частиц \(

\sum_ <\vec \upsilon_k>= N \) . С учетом этого выражения, формула преобразуется к виду

n = \frac<\Delta V>\) — число заряженных частиц в единице объема, то есть их концентрация. Произведение же концентрации частиц на их электрический заряд равно электрическому заряду, заключенному в единице объема, то есть объемной плотности заряда \(

q n = \rho\) . Таким образом, формула (4) совпадает с формулой (2), если скорость движения «электрической жидкости» отождествить со средней скоростью движения заряженных частиц.

В качестве наглядной модели движения заряженных частиц можно представить движения облака комаров, каждый из которых движется хаотически в пределах облака, а под действием ветерка это облако целиком смещается в некотором направлении.

Если в переносе заряда участвует несколько типов заряженных частиц, то можно определить плотность тока каждого типа части, а суммарную плотность тока, как сумму плотностей токов всех типов частиц. Так в растворе поваренной соли могут двигаться положительно заряженные ионы натрия Na + и отрицательно заряженные ионы хлора Cl — . В этом случае вектор плотности тока выражается суммой

\vec j = \vec j^+ + \vec j^- = q^+ n^+ + q^- n^- \) , (5)

\vec j^+, \vec j^-\) — плотности токов, q + , q — — заряды, n + , n — — концентрации, \(

, \) — средние скорости ионов натрия и хлора, соответственно.

Заметим, что согласно данному определению вектор плотности тока совпадает со скоростью движения положительных зарядов, при движении отрицательных зарядов вектор плотности тока противоположен вектору их скорости. Иными словами за положительное направление движения электрического тока принимается направление движения положительных зарядов.

В большинстве применений электрический ток проходит по металлам, в которых носителями тока являются отрицательно заряженные электроны, поэтому, как ни странно, чаще всего направление тока противоположно направлению движения реальных частиц электронов. Такая несуразность также является следствием исторической традиции – направление электрического тока было определено еще в начале XIX века, когда о природе носителей тока не имели ни малейшего представления.

Таким образом, мы определили векторную характеристику переноса заряда – плотность тока. Этот вектор определен в каждой точке пространства, поэтому математически движение зарядов описывается векторным полем \(

Img Slob-10-11-271.jpg

Рассмотрим физический смысл потока [1] данного векторного поля. Для этого мысленно выделим малую площадку площадью ΔS, в пределах которой вектор плотности тока \(

\vec j\) можно считать постоянным и направленным под углом α к вектору нормали площадки \(

\vec n\) (рис. 271). Если скорость направленного движения заряда равна υ, то за время Δt через площадку пройдет заряд, содержащийся в наклонном параллелепипеде, длина стороны которого равна υΔt. Величина этого заряда равна произведению объемной плотности заряда на объем параллелепипеда \(

\Delta q = \rho \Delta S h = \rho \Delta S \upsilon \Delta t \cos \alpha\) . Следовательно, в единицу времени через площадку протекает электрический заряд равный

I = \frac<\Delta q> <\Delta t>= \rho \Delta S \upsilon \cos \alpha = j \Delta S \cos \alpha = \vec j \cdot \vec n \Delta S = \Phi_j\) . (6)

Img Slob-10-11-272.jpg

Как следует из полученного соотношения, данная величина равна потоку вектора плотности тока \(

\vec j\) через площадку ΔS. Если требуется найти количество заряда протекающего через некоторую поверхность (рис. 272), в пределах которой вектор плотности тока изменяется, то следует поступать традиционным образом: разбить поверхность на малые площадки, найти по формуле (6) поток через каждую площадку, после чего просуммировать эти потоки

Поток вектора плотности тока играет важную роль в изучении электрического тока, поэтому получил «персональное» наименование – сила электрического тока.

Силой электрического тока называется заряд, протекающий через площадку в единицу времени\[

По определению, сила тока является скалярной физической величиной, описывающей движение электрических зарядов усреднено – являясь характеристикой, описывающей свойства тока в пределах некоторой площадки целиком, без конкретизации распределения в пределах рассматриваемой поверхности.

При течении электрического тока по проводам, распределения тока в поперечном сечении провода мало интересно – вполне достаточно знать значение суммарного тока через поперечное сечении провода, так эта физическая величина позволяет находить интересующие характеристики – мощность, передаваемую энергию и так далее. Поэтому часто именно силу электрического тока определяют как заряд, протекающий через поперечное сечение проводника в единицу времени и считают основной характеристикой электрического тока.

Читайте также:  Реактивные сопротивления в цепях переменного тока формулы

Как уже отмечалось ранее единица силы электрического тока Ампер (обозначается А), является основной единицей международной системы единиц СИ. Строгое определение этой единицы мы дадим позднее, на основании закона взаимодействия электрических токов. Характерные значения сил токов, используемых в бытовых приборах, составляют величины порядка одного ампера, так лампочка накаливания мощностью 100 Вт потребляет электрический ток немного меньше, чем 0,5 А.

Оценим скорость направленного движения электронов в металлических проводниках. Ранее мы оценили концентрацию свободных электронов в меди, получив значение n ≈ 8·10 22 см -3 = 8·10 28 м -3 . Если электрический ток силой в I = 1 А протекает по медному проводнику с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 , то для оценки средней скорости движения электронов (заряд которых e ≈ 1,6·10 -19 Кл) можно воспользоваться соотношением \(

I = j S = e n S\) , из которого следует

= \frac \approx 8 \cdot 10^ <-5>m/c\) ,

то есть составляет очень малую величину порядка одной десятой доли миллиметра в секунду. При силе тока в 10А скорость направленного движения электронов «достигает» величины порядка миллиметра в секунду! И при таких мизерных скоростях эти движущиеся электроны переносят значительную энергию.

Во избежание возможных недоразумений, подчеркнем, что мы оценили скорость направленного движения электронов, а не скорость распространения тока. При подключении сети к источнику тока движение зарядов во всех проводниках начинается практически мгновенно – электрическое поле, заставляющее двигаться электроны, распространяется по проводнику со скоростью света (триста тысяч километров в секунду). Аналогично, при открывании водопроводного крана практически мгновенно вся вода в трубе начинает двигаться — упругие силы, приводящие воду в движение, распространяются со скоростью звука в воде (несколько тысяч километров в секунду), хотя вода может двигаться по трубе очень медленно.

Источник

Электрический ток и закон Ома

теория по физике ? постоянный ток

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

Условия существования электрического тока:

  • наличие заряженных частиц;
  • наличие электрического поля, которое создается источниками тока.

Носители электрического тока в различных средах

Среда Носители электрического тока
Металлы Свободные электроны
Электролиты (вещества, проводящие ток вследствие диссоциации на ионы) Положительные и отрицательные ионы
Газы Ионы и электроны
Полупроводники Электроны и дырки (атом, лишенный одного электрона)
Вакуум Электроны

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

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

Основные элементы электрической цепи:

  • Источник тока (генератор, гальванический элемент, батарея, аккумулятор).
  • Потребители тока (лампы, нагревательные элементы и прочие электроприборы).
  • Проводники — части цепи, обладающие достаточным запасом свободных электронов, способных перемещаться под действием внешнего электрического поля. Проводники соединяют источники и потребители тока в единую цепь.
  • Ключ (переключатель, выключатель) для замыкания и размыкания цепи.

Электрическая цепь также может содержать:

  • резистор — элемент электрической цепи, обладающий некоторым сопротивлением;
  • реостат — устройство для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления;
  • конденсатор — устройство, способное накапливать электрический заряд и передавать его другим элементам цепи;
  • измерительные приборы — устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи.

Определение

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

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

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

Направление электрического тока в металлах

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

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток способен вызывать различные действия:

  • Тепловое — электрическая энергия преобразуется в тепло. Такое преобразование обеспечивает электроплита, электрический камин, утюг.
  • Химическое — электролиты под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы).
  • Магнитное (электромагнитное) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е. проводник с током приобретает магнитные свойства.
  • Световое — электрический ток разогревает металлы до белого каления, и они начинают светиться подобно вольфрамовой спирали внутри лампы накаливания. Другой пример — светодиоды, в которых свет обусловлен излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
  • Механическое — параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Основные параметры постоянного тока

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

Основными параметрами электрического тока являются:

  • Сила тока. Обозначается как I. Единица измерения — А (Ампер).
  • Напряжение. Обозначается как U. Единица измерения — В (Вольт).
  • Сопротивление. Обозначается как R. Единица измерения — Ом.

Сила тока

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

I = q t . . = Δ q Δ t . . = N q e t .

N — количество электронов, q e = 1 , 6 · 10 − 19 Кл — заряд электрона, t — время (с).

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

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

2 минуты = 120 секунд

q = I t = 0 , 2 · 120 = 24 ( К л )

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

Δ q = I 1 + I 2 2 . . Δ t

Сила тока и скорость движения электронов:

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

Внимание!

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

Сопротивление

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

ρ — удельное сопротивление, показывающее, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 , изготовленный из определенного материала. l — длина проводника (м), S — площадь его поперечного сечения.

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

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

R 2 R 1 . . = ρ 2 l 3 S . . ÷ ρ l S . . = ρ 2 l 3 S . . · S ρ l . . = 2 3 . .

Отсюда сопротивление второго проводника равно:

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

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

U 1 U 2 . . = A 1 q . . ÷ A 2 q . . = A 1 q . . · q A 2 . . = A 1 A 2 . . = 20 40 . . = 1 2 . .

Закон Ома для участка цепи

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

Иллюстрация закона Ома.

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

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

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

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

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

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

Сначала переведем единицы измерения величин в СИ:

R = U I . . = 5000 0 , 02 . . = 250000 ( О м ) = 250 ( к О м )

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

Источник



Упорядоченное движение заряженных частиц: понятие и характеристики

Огромное множество физических явлений как микроскопического, так и макроскопического характера имеют электромагнитную природу. К ним относятся силы трения и упругости, все химические процессы, электричество, магнетизм, оптика.

Одно из таких проявлений электромагнитного взаимодействия – упорядоченное движение заряженных частиц. Оно представляет собой совершенно необходимый элемент практически всех современных технологий, находящих применение в самых различных областях – от организации нашего быта до космических полетов.

Общее понятие о феномене

Мыс принца Уэльского - крайняя западная материковая точка Северной Америки: координаты Вам будет интересно: Мыс принца Уэльского — крайняя западная материковая точка Северной Америки: координаты

Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Такое перемещение зарядов может осуществляться в разных средах посредством тех или иных частиц, иногда – квазичастиц.

Обязательным условием тока является именно упорядоченное, направленное движение. Заряженные частицы — это объекты, которые (как, впрочем, и нейтральные) обладают тепловым хаотическим движением. Однако ток возникает, только когда на фоне этого непрерывного беспорядочного процесса происходит общее перемещение зарядов в некотором направлении.

Прогнозирование спроса: понятие, виды и функции Вам будет интересно: Прогнозирование спроса: понятие, виды и функции

При движении какого-либо тела, в целом электрически нейтрального, частицы в составе его атомов и молекул, конечно, движутся направленно, но, поскольку разноименные заряды в нейтральном объекте компенсируют друг друга, никакого переноса заряда нет, и говорить о токе в этом случае также не имеет смысла.

Как возникает ток

Рассмотрим простейший вариант возбуждения постоянного тока. Если к среде, где в общем случае присутствуют носители зарядов, приложить электрическое поле, в ней начнется упорядоченное движение заряженных частиц. Явление называется дрейфом зарядов.

Читайте также:  Конструкции трансформаторов постоянного тока

Потенциалы электрического поля

Вкратце его можно описать следующим образом. В различных точках поля возникает разность потенциалов (напряжение), то есть энергия взаимодействия электрических зарядов, расположенных в этих точках, с полем, отнесенная к величине этих зарядов, будет различной. Поскольку всякая физическая система, как известно, стремится к минимуму потенциальной энергии, отвечающему равновесному состоянию, заряженные частицы начнут движение, направленное к выравниванию потенциалов. Иначе говоря, поле совершает некоторую работу по перемещению этих частиц.

Организационная система: определение, основные функции, методы управления, задачи и процессы развития Вам будет интересно: Организационная система: определение, основные функции, методы управления, задачи и процессы развития

Когда потенциалы выравниваются, обращается в нуль напряженность электрического поля – оно исчезает. Вместе с тем прекращается и упорядоченное движение заряженных частиц – ток. Для того чтобы получить стационарное, то есть не зависящее от времени, поле, необходимо использовать источник тока, в котором, благодаря выделению энергии в тех или иных процессах (например, химических), заряды непрерывно разделяются и поступают на полюса, поддерживая существование электрического поля.

Ток можно получать различными способами. Так, изменение магнитного поля воздействует на заряды во внесенном в него проводящем контуре и вызывает их направленное движение. Такой ток называется индукционным.

Движение заряда в электрическом поле

Количественные характеристики тока

Главный параметр, с помощью которого ток описывают количественно, – это сила тока (иногда говорят «величина» или просто «ток»). Она определяется как количество электричества (величина заряда или число элементарных зарядов), проходящее за единицу времени сквозь некоторую поверхность, обычно через сечение проводника: I = Q/t. Измеряется ток в амперах: 1 А = 1 Кл/с (кулон в секунду). На участке электрической цепи сила тока прямой зависимостью связана с разностью потенциалов и обратной – с сопротивлением проводника: I = U/R. Для полной цепи эта зависимость (закон Ома) выражается как I = Ԑ/R+r, где Ԑ — электродвижущая сила источника и r – его внутреннее сопротивление.

Отношение силы тока к сечению проводника, через который происходит перпендикулярно ему упорядоченное движение заряженных частиц, называют плотностью тока: j = I/S = Q/St. Данная величина характеризует количество электричества, которое протекает за единицу времени через единицу площади. Чем выше напряженность поля E и электропроводность среды σ, тем больше и плотность тока: j = σ∙E. В отличие от силы тока, эта величина — векторная, и имеет направление по движению частиц, несущих положительный заряд.

Направление тока и направление дрейфа

Решетнев Михаил Федорович: биография, личная жизнь, разработка космических систем и награды Вам будет интересно: Решетнев Михаил Федорович: биография, личная жизнь, разработка космических систем и награды

В электрическом поле объекты, переносящие заряд, под действием кулоновских сил будут совершать к противоположному по знаку заряда полюсу источника тока упорядоченное движение. Частицы, заряженные положительно, дрейфуют в сторону отрицательного полюса («минуса») и, наоборот, свободные отрицательные заряды притягиваются к «плюсу» источника. Частицы могут перемещаться и в двух противоположных направлениях сразу, если в проводящей среде присутствуют носители зарядов обоих знаков.

По историческим причинам принято считать, что ток направлен так, как движутся положительные заряды – от «плюса» к «минусу». Чтобы избежать путаницы, следует помнить, что хотя в наиболее знакомом всем нам случае тока в металлических проводниках реальное перемещение частиц – электронов – происходит, конечно, в обратном направлении, указанное условное правило действует всегда.

Дрейф электрона в проводнике

Распространение тока и дрейфовая скорость

Нередко возникают проблемы и с пониманием того, насколько быстро движется ток. Не следует путать два разных понятия: скорость распространения тока (электрического сигнала) и скорость дрейфа частиц – носителей зарядов. Первое – это скорость, с которой передается электромагнитное взаимодействие или — что то же самое — распространяется поле. Она близка (с учетом среды распространения) к скорости света в вакууме и составляет почти 300 000 км/с.

Частицы же совершают свое упорядоченное движение очень медленно (10-4–10-3 м/с). Дрейфовая скорость зависит от напряженности, с которой действует на них приложенное электрическое поле, но во всех случаях она на несколько порядков уступает скорости теплового беспорядочного движения частиц (105–106 м/с). Важно понимать, что под действием поля начинается одновременный дрейф всех свободных зарядов, поэтому ток возникает сразу во всем проводнике.

Виды тока

В первую очередь токи различают по поведению носителей заряда во времени.

  • Постоянным называют ток, не изменяющий ни величину (силу), ни направление перемещения частиц. Это самый простой вариант перемещения заряженных частиц, и с него всегда начинают изучение электрического тока.
  • У переменного тока эти параметры изменяются во времени. В основе его генерирования лежит явление электромагнитной индукции, возникающей в замкнутом контуре, благодаря изменению (вращению) магнитного поля. Электрическое поле в этом случае периодически меняет вектор напряженности на противоположный. Соответственно, изменяются знаки потенциалов, а величина их проходит от «плюса» до «минуса» все промежуточные значения, в том числе и нулевое. В результате этого явления упорядоченное движение заряженных частиц все время меняет направление. Величина такого тока колеблется (обычно синусоидально, то есть гармонически) от максимума до минимума. Переменный ток имеет такую важную характеристику скорости этих колебаний, как частота – количество полных циклов изменения в секунду.

Помимо этой важнейшей классификации, различия между токами можно проводить и по такому критерию, как характер движения носителей заряда по отношению к среде, в которой ток распространяется.

Электрический разряд

Токи проводимости

Наиболее известный пример тока – это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля внутри какого-либо тела (среды). Оно именуется током проводимости.

В твердых телах (металлы, графит, многие сложные материалы) и некоторых жидкостях (ртуть и другие расплавы металлов) электроны являются подвижными заряженными частицами. Упорядоченное движение в проводнике – это их дрейф относительно атомов или молекул вещества. Проводимость такого рода называют электронной. В полупроводниках перенос зарядов также происходит за счет движения электронов, но по ряду причин удобно пользоваться для описания тока понятием дырки – положительной квазичастицы, представляющей собой перемещающуюся электронную вакансию.

В электролитических растворах прохождение тока осуществляется за счет движущихся к разным полюсам – аноду и катоду – отрицательных и положительных ионов, входящих в состав раствора.

Упорядоченное движение зарядов в электролите

Токи переноса

Газ – в обычных условиях диэлектрик – также может стать проводником, если подвергнуть его достаточно сильной ионизации. Газовая электропроводность носит смешанный характер. Ионизированный газ уже представляет собой плазму, в которой перемещаются и электроны, и ионы, то есть все заряженные частицы. Упорядоченное движение их формирует плазменный канал и называется газовым разрядом.

Коннотация - это лексический термин, которым мы пользуем каждый день Вам будет интересно: Коннотация — это лексический термин, которым мы пользуем каждый день

Направленное перемещение зарядов может происходить не только внутри среды. Допустим, в вакууме движется пучок электронов или ионов, испускаемых с положительного или отрицательного электрода. Это явление носит название электронной эмиссии и широко используется, к примеру, в вакуумных приборах. Безусловно, такое движение представляет собой ток.

Еще один случай – перемещение электрически заряженного макроскопического тела. Это – тоже ток, поскольку подобная ситуация удовлетворяет условию направленного переноса зарядов.

Все приведенные примеры необходимо рассматривать как упорядоченное движение заряженных частиц. Называется такой ток конвекционным или током переноса. Его свойства, например, магнитные, совершенно аналогичны таковым у токов проводимости.

Молния - движение зарядов в атмосфере

Ток смещения

Существует явление, не имеющее отношения к переносу зарядов и возникающее там, где наличествует изменяющееся во времени электрическое поле, которое обладает свойством, присущим «настоящим» токам проводимости или переноса: оно возбуждает переменное магнитное поле. Это происходит, например, в цепях переменного тока между обкладок конденсаторов. Явление сопровождается передачей энергии и называется током смещения.

По сути, данная величина показывает, как быстро изменяется индукция электрического поля на некоторой поверхности, перпендикулярной к направлению ее вектора. Понятие электрической индукции включает в себя векторы напряженности поля и поляризации. В вакууме учитывается только напряженность. Что же касается электромагнитных процессов в веществе, то поляризация молекул или атомов, в которых при воздействии поля имеет место движение связанных (не свободных!) зарядов, вносит некоторый вклад в ток смещения в диэлектрике или проводнике.

Название возникло в XIX веке и носит условный характер, так как действительный электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ток смещения с дрейфом зарядов никак не связан. Поэтому он, строго говоря, током не является.

Проявления (действия) тока

Упорядоченное движение заряженных частиц всегда сопровождается теми или иными физическими явлениями, по которым, собственно, и можно судить о том, протекает данный процесс или нет. Можно разделить такие явления (действия тока) на три основных группы:

  • Магнитное действие. Движущийся электрический заряд обязательно создает магнитное поле. Если поместить компас рядом с проводником, по которому протекает ток, стрелка совершит поворот перпендикулярно направлению этого тока. На основе данного явления действуют электромагнитные устройства, позволяющие, например, преобразовать электрическую энергию в механическую.
  • Тепловое действие. Ток совершает работу по преодолению сопротивления проводника, результатом чего становится выделение тепловой энергии. Это происходит потому, что при дрейфе заряженные частицы испытывают рассеяние на элементах кристаллической решетки или молекулах проводника и отдают им кинетическую энергию. Если бы решетка, скажем, металла, была идеально правильной, электроны практически не замечали бы ее (это следствие волновой природы частиц). Однако, во-первых, атомы в узлах решетки сами подвержены тепловым колебаниям, нарушающим ее правильность, а во-вторых, дефекты решетки – примесные атомы, дислокации, вакансии – тоже влияют на движение электронов.
  • Химическое действие наблюдается в электролитах. Разноименно заряженные ионы, на которые диссоциирован электролитический раствор, при наложении электрического поля разводятся на противоположные электроды, что приводит к химическому разложению электролита.

Электричество в жизни человека

За исключением случаев, когда упорядоченное движение заряженных частиц является предметом научных исследований, оно интересует человека в своих макроскопических проявлениях. Важен для нас не ток сам по себе, а перечисленные выше явления, которое он вызывает, благодаря превращениям электрической энергии в другие виды.

Все действия тока играют двоякую роль в нашей жизни. В одних случаях от них необходимо защищать людей и технику, в других – получение того или иного эффекта, вызываемого направленным переносом электрических зарядов, является прямым назначением самых разнообразных технических устройств.

Источник