Меню

Основные физические характеристики электрического тока

Основные электрические величины

Рассмотрим основные электрические величины, которые мы изучаем сначала в школе, затем в средних и высших учебных заведениях. Все данные для удобства сведем в небольшую таблицу. После таблицы будут приведены определения отдельных величин, на случай возникновения каких-либо непониманий.

Величина Единица измерения в СИ Название электрической величины
q Кл — кулон заряд
R Ом – ом сопротивление
U В – вольт напряжение
I А – ампер Сила тока (электрический ток)
C Ф – фарад Емкость
L Гн — генри Индуктивность
sigma См — сименс Удельная электрическая проводимость
e0 8,85418781762039*10 -12 Ф/м Электрическая постоянная
φ В – вольт Потенциал точки электрического поля
P Вт – ватт Мощность активная
Q Вар – вольт-ампер-реактивный Мощность реактивная
S Ва – вольт-ампер Мощность полная
f Гц — герц Частота

Существуют десятичные приставки, которые используются в названии величины и служат для упрощения описания. Самые распространенные из них: мега, мили, кило, нано, пико. В таблице приведены и остальные приставки, кроме названных.

Десятичный множитель Произношение Обозначение (русское/международное)
10 -30 куэкто q
10 -27 ронто r
10 -24 иокто и/y
10 -21 зепто з/z
10 -18 атто a
10 -15 фемто ф/f
10 -12 пико п/p
10 -9 нано н/n
10 -6 микро мк/μ
10 -3 милли м/m
10 -2 санти c
10 -1 деци д/d
10 1 дека да/da
10 2 гекто г/h
10 3 кило к/k
10 6 мега M
10 9 гига Г/G
10 12 тера T
10 15 пета П/P
10 18 экза Э/E
10 21 зета З/Z
10 24 йотта И/Y
10 27 ронна R
10 30 куэкка Q

Сила тока в 1А – это величина, равная отношению заряда в 1 Кл, прошедшего за 1с времени через поверхность (проводник), к времени прохождения заряда через поверхность. Для протекания тока необходимо, чтобы цепь была замкнутой.

Сила тока измеряется в амперах. 1А=1Кл/1c

В практике встречаются

Электрическое напряжение – разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Величина электрического потенциала измеряется в вольтах, следовательно, и напряжение измеряется в вольтах (В).

1Вольт – напряжение, которое необходимо для выделения в проводнике энергии в 1Ватт при протекании по нему тока силой в 1Ампер.

В практике встречаются

Электрическое сопротивление – характеристика проводника препятствовать протеканию по нему электрического тока. Определяется как отношение напряжения на концах проводника к силе тока в нем. Измеряется в омах (Ом). В некоторых пределах величина постоянная.

1Ом – сопротивление проводника при протекании по нему постоянного тока силой 1А и возникающем при этом на концах напряжении в 1В.

Из школьного курса физики все мы помним формулу для однородного проводника постоянного сечения:

R=ρlS – сопротивление такого проводника зависит от сечения S и длины l

где ρ – удельное сопротивление материала проводника, табличная величина.

Между тремя вышеописанными величинами существует закон Ома для цепи постоянного тока.

Ток в цепи прямо пропорционален величине напряжения в цепи и обратно пропорционален величине сопротивления цепи – закон Ома.

Электрической емкостью называется способность проводника накапливать электрический заряд.

Емкость измеряется в фарадах (1Ф).

1Ф – это емкость конденсатора между обкладками которого возникает напряжение 1В при заряде в 1Кл.

В практике встречаются

Индуктивность – это величина, характеризующая способность контура, по которому протекает электрический ток, создавать и накапливать магнитное поле.

Индуктивность измеряется в генри.

1Гн – величина, равная ЭДС самоиндукции, возникающей при изменении величины тока в контуре на 1А в течение 1секунды.

В практике встречаются

Электрическая проводимость – величина, показывающая способность тела проводить электрический ток. Обратная величина сопротивлению.

Электропроводность измеряется в сименсах.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Источник

Что такое электрический ток?

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

  • к производственному цеху;
  • квартире;
  • на поле;
  • в шахту, под воду и т. д.

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Опыт с заряженными телами

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Электрофорная машина

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока – векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м 2 . Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

  1. Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
  2. квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
  3. Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
  4. Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Электрический ток в металлах

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Электрический ток в газах

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

  • все благородные металлы;
  • медь;
  • алюминий;
  • олово;
  • свинец.

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Источник

Электрический ток. Физические характеристики электрического тока. Поражающее воздействие электрического тока на организм.

Электрический ток– это упорядоченное движение электрических зарядов. Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна разности потенциалов (т. е. напряжению на концах участка) и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи.

Характер и глубина воздействия электрического тока на организм человека зависят от силы и рода тока, времени его действия, пути прохождения через тело человека, физического и психического состояния последнего.

Электрическая травма — результат действия на живой орга­низм технического (от силовой и осветительной сети) и атмо­сферного (молния) электричества.

Преимущественно эти несчастные случаи в быту и на произ­водстве встречаются вследствие нарушения техники безопасно­сти, технической неисправности электрооборудования, прибо­ров и электроаппаратуры, повреждения электроизоляции. Слу­чаи убийства и самоубийства электротоком редки.

Судебно-медицинская экспертиза проводится и в случаях необходимости определения степени утраты трудоспособности у лиц, пораженных электротоком.

Факторы и условия действия технического электричества на организм.Поражающее действие электротока на организм обу­словлено его физическими свойствами, условиями действия и состоянием организма.

Чаще поражение электротоком наступает вследствие прямого контакта с токонесущим объектом, реже — на небольшом рас­стоянии от источника тока (например, шаговое напряжение, действующее в зоне упавшего провода высоковольтной сети на расстоянии нескольких шагов).

Физические свойства электрического тока определяются его напряжением, силой, типом и частотой. Низкое напряжение то­ка — 110—220 В, высокое — свыше 250 В. На электрических железных дорогах напряжение достигает 1500—3000 В. Преиму­щественно наблюдаются случаи поражения током низкого на­пряжения, с которыми человек чаще контактирует в быту и на производстве.

Сила тока в 50 мА опасна для жизни, а свыше 80—100 мА — наступает смертельный исход.

По типу различают переменный и постоянный ток. Пораже­ние переменным током встречается чаще. Переменный ток на­пряжением до 500 В опаснее постоянного. Последний более вре­ден при напряжении свыше 5000 В.

Опасен переменный низкочастотный ток (40—60 колебаний в секунду). Токи, высокой частоты (от 10 тыс. до 1 млн ГЦ и боль­ше) не опасны для организма и применяются в медицинской практике при проведении физиотерапевтических процедур.

Приведенные цифры не абсолютны. Существенное значение имеют условия действия тока.

Условия действия тока. К ним относятся: величина сопро­тивления тканей тела, площадь и плотность контакта с элек­тропроводником, время воздействия тока, путь прохождения тока в теле.

Сопротивление тела обусловлено влажностью кожи, ее тол­щиной, кровенаполнением, состоянием внутренних органов.

Сопротивление кожи колеблется от 50 000 до 1 млн Ом. Резко снижается сопротивление влажной кожи. Плохо защи­щает от электротока влажная одежда. Сопротивление внутрен­них органов (особенно головного мозга и сердца) намного ни­же сопротивления кожи. Поэтому прохождение тока через ор­ганы с небольшим сопротивлением очень опасно, особенно при включении в электрическую цепь обеих рук, голова — ноги, левая рука — ноги.

Существует понятие о токоопасных помещениях — с повы­шенной влажностью (бани, умывальные комнаты, землянки и др.).

Чем плотнее контакт с токонесущим проводником и про­должительнее время воздействия тока, тем больше его пора­жающее действие.

Существенное значение имеет состояние организма. Сопро­тивление току снижено у детей и стариков, больных, утомлен­ных, находящихся в состоянии алкогольного опьянения.

Механизм действия электротока на организм. Электрический ток оказываеттепловое действие — от местных ожогов до обуг­ливания, механическое — повреждение тканей от судорожных сокращений мышц, при отбрасывании тела от проводника иэлектрическое — электролиз тканевых жидкостей.

При несмертельных повреждениях могут наблюдаться рас­стройства со стороны нервной системы (параличи), органов зрения и слуха. Иногда поражение электрическим током сопровож­дается глубокой потерей сознания.

Различают несколько типов наступления смерти при пора­жении электротоком:мнимая смерть; быстрая смерть; замед­ленная смерть, когда человек пытается освободиться от провод­ника, кричит; прерванная смерть, когда пострадавший освобож­дается от проводника, но вскоре умирает; смерть в поздний пери­одэлектротравмы. При этом мероприятия по оживлению про­должают до появления трупных пятен.

Признаки электротравмы. Специфическим признаком пора­жения электротоком являются электрометки. Они возникают от контакта с токонесущим проводником обычно при напряжении тока 100—250 В и выделяющейся при этом температуре не выше 120°С. В 10—15% случаев электрометки не образуются (особен­но на участках влажной и тонкой кожи).

Типичная электрометка представляет собой повреждение в виде образований округлой или овальной формы, серовато-белого, бледно-желтоватого цвета с валикообразными краями и западающим центром, обычно без признаков воспаления, иногда с отеком тканей вокруг и налетом частичек металла, от­слоением эпидермиса. Размеры электрометок обычно в преде­лах до 1 см.

Ожоги от действия тока высокого напряжения могут быть большой площади. Металлизация электрометки в зависимости от металлов, входящих в состав проводника, придает ей соответст­вующую окраску. В электрометке может отражаться форма про­водника. Электрометки могут иметь различную локализацию, но чаще они располагаются на ладонях и подошвенных поверхно­стях стоп.

57. Ионизирующее излучение (α, β, γ). Воздействие радиации на организм человека (острые поражения, лучевая болезнь, воздействие на глаза, кожу, кровь, органы внутренней секреции, репродуктивную систему и т. д.)

· Альфа-частицы — это относительно тяжелые частицы, заряженные положительно, представляют собой ядра гелия.

· Бета-частицы — обычные электроны.

· Гамма-излучение — имеет ту же природу, что и видимый свет, однако гораздо большую проникающую способность.

· Нейтроны — это электрически нейтральные частицы, возникающие в основном рядом с работающим атомным реактором, доступ туда должен быть ограничен.

· Рентгеновские лучи — похожи на гамма-излучение, но имеют меньшую энергию. Кстати, Солнце — один из естественных источников таких лучей, но защиту от солнечной радиации обеспечивает атмосфера Земли.

Наиболее опасно для человека Альфа, Бета и Гамма излучение, которое может привести к серьезным заболеваниям, генетическим нарушения и даже смерти. Степень влияния радиации на здоровье человека зависит от вида излучения, времени и частоты. Таким образом, последствия радиации, которые могут привести к фатальным случаям, бывают как при однократном пребывании у сильнейшего источника излучения (естественного или искусственного), так и при хранении слаборадиоактивных предметов у себя дома (антиквариата, обработанных радиацией драгоценных камней, изделий из радиоактивного пластика). Заряженные частицы очень активны и сильно взаимодействуют с веществом, поэтому даже одной альфа-частицы может хватить, чтобы уничтожить живой организм или повредить огромное количество клеток. Впрочем, по этой же причине достаточным средством защиты от радиации данного типа является любой слой твердого или жидкого вещества, например, обычная одежда.

· По мнению специалистов www.dozimetr.biz, ультрафиолетовое излучение или излучение лазеров нельзя считать радиоактивным. Чем же отличается радиация и радиоактивность?

· Источники радиации — ядерно-технические установки (ускорители частиц, реакторы, рентгеновское оборудование) и радиоактивные вещества. Они могут существовать значительное время, никак не проявляя себя, и Вы можете даже не подозревать, что находитесь рядом с предметом сильнейшей радиоактивности.

Источник



Постоянный электрический ток: определение, механизм, характеристики

Постоянный ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, движущихся в одном направлении.

По теории данные заряженные частицы относят к носителям тока. В проводниках и полупроводниках такими носителями являются электроны, в электролитах – заряженные ионы, в газах – электроны и ионы. Металлы характеризуются перемещением только электронов. Отсюда следует, что электрический ток в них – это движение электронов проводимости.

Результат прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих растворах заметно отличается. Наличие химических процессов в металлах при протекании тока отсутствует. В электролитах под воздействием тока происходит выделение ионов вещества на электродах. Различие заключается в отличии носителей зарядов металла и электролита. В металлах – это свободные электроны, отделившиеся от атомов, в растворах – ионы, атомы или их группы с зарядами.

Необходимые условия существования электрического тока

Первое необходимое условие существования электрического тока любого вещества – наличие носителей заряда.

Для равновесного состояния зарядов необходимо равнение нулю разности потенциалов между любыми точками проводника. При нарушении данного условия, заряд не сможет переместиться. Отсюда следует, что второе необходимое условие существования электрического тока в проводнике – создание напряжения между некоторыми точками.

Упорядоченное движение свободных зарядов, возникающее в проводнике как результат воздействия электрического поля, называют током проводимости.

Такое движение возможно при перемещении в пространстве заряженного проводника или диэлектрика. Подобный электрический ток получил название конвекционного.

Механизм осуществления постоянного тока

Для постоянного прохождения тока в проводнике следует подсоединить к проводнику или их совокупности устройство, в котором постоянно происходит процесс разделения электрических зарядов для поддержания напряжения в цепи. Данный механизм получил название источника тока (генератора).

Силы, разделяющие заряды, называют сторонними. Они характеризуются неэлектрическим происхождением, действуют внутри источника. При разделении зарядов сторонние силы способны создать разность потенциалов между концами цепи.

Если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил равняется нулю. Отсюда следует, что суммарная работа сил A , действующих на заряд, равна работе сторонних A s t . Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется как:

ε = A q ( 1 ) , где значение q подразумевает положительный заряд. Его движение происходит по замкнутому контуру. ЭДС – это не сила. Единица измерения ε = В .

Природа сторонних сил различна. В гальваническом элементе они являются результатом электрохимических процессов. В машине с постоянным током такой силой является сила Лоренца.

Основные характеристики электрического тока

Условно принято считать направление тока за направление движения положительных частиц. Отсюда следует, что направление тока в металлах характеризуется противоположным направлением относительно направления движения частиц.

Электрический ток обладает силой тока.

Сила тока I – скалярная величина, равняется производной от заряда q по времени для тока, который проходит через поверхность S :

Ток может быть постоянным и переменным. При неизменной силе тока с его направлением по времени ток называют постоянным, а выражение силы тока для него примет вид:

I = q t ( 3 ) , где сила тока рассматривается в качестве заряда, проходящего через поверхность S в единицу времени.

По системе С И основная единица измерения силы тока – Ампер ( А ) .

Плотность – это векторная локальная характеристика. Вектор плотности тока j → способен показывать, каким образом распределяется ток по сечению S . Его направление идет в сторону, куда движутся положительные заряды.

Значение вектора плотности тока по модулю равно:

j = d I d S ‘ ( 4 ) , где d S ‘ является проекцией элементарной поверхности d S на плоскость, перпендикулярную вектору плотности тока, d I – элементом силы, которая идет через поверхности d S и d S ‘ .

Представление плотности в металле возможно по формуле:

j → = — n 0 q e » open=» υ → ( 5 ) , где n 0 обозначается концентрацией электронов проводимости, q e = 1 , 6 · 10 — 19 К л – зарядом электрона, » open=» υ → – средней скоростью упорядоченного движения электронов. Если значение плотностей тока максимальное, то

» open=» υ → = 10 — 4 м с .

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда

Основным физическим законом считается закон сохранения электрического заряда. При выборе произвольной замкнутой поверхности S , изображенной на рисунке 1 , ограничивающей объем V количество выходящего электричества в единицу времени ( 1 секунду) из объема V можно определить по формуле ∮ s j n d S . Такое же количество электричества выражается через заряд — ∂ q ∂ t , тогда получаем:

∂ q ∂ t = — ∮ S j n d S ( 6 ) , где j n считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности d S , при этом:

j n = j cos a ( 7 ) , где a является углом между направлением нормали к d S и вектором плотности тока. Уравнение ( 6 ) показывает частое употребление производной для того, чтобы сделать акцент на неподвижности поверхности S .

Выражение ( 6 ) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона примет вид:

∮ S j n d S = 0 ( 8 ) .

Найти формулу для того, чтобы рассчитать конвекционный ток при его возникновении в длинном цилиндре с радиусом сечения R и наличием его равномерной скорости движения υ , который заряжен по поверхности равномерно. Значение напряженности поля у поверхности цилиндра равняется E . Направление скорости движения вдоль оси цилиндра.

Решение

Основой решения задачи берется определение силы тока в виде:

I = d q d t ( 1 . 1 ) .

Из формулы ( 1 . 1 ) следует, что возможно нахождение элемента заряда, располагающегося на поверхности цилиндра.

Напряженность поля равномерно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению:

E = σ ε 0 ( 1 . 2 ) , где σ является поверхностной плотностью заряда, ε 0 = 8 , 85 · 10 — 12 К л Н · м 2 . Выразим σ из ( 1 . 2 ) , тогда:

σ = E · ε 0 ( 1 . 3 ) .

Связь поверхностной плотности заряда с элементарным зарядом выражается при помощи формулы:

d q d S = σ ( 1 . 4 ) .

Используя ( 1 . 3 ) , ( 1 . 4 ) , имеем:

d q = E · e 0 d S ( 1 . 5 ) .

Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры:

d S = 2 π · R d h ( 1 . 6 ) , где d h является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра примет вид:

d q = E · ε 0 · 2 h · R d h ( 1 . 7 ) .

Произведем подстановку из ( 1 . 7 ) в ( 1 . 1 ) :

I = d ( E · ε 0 · 2 π · Rdh ) d t = 2 πRε 0 E dh dt ( 1 . 8 ) .

Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:

d h d t = υ ( 1 . 9 ) .

I = 2 π R ε 0 E υ .

Ответ: конвективный ток I = 2 π R ε 0 E υ .

Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I = 1 + 3 t . Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t , изменяющегося от t 1 = 3 с до t 2 = 7 c . Каким должен быть постоянный электрический ток, чтобы за аналогичное время происходило то же значение заряда?

Решение

Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:

I = d q d t ( 2 . 1 ) .

Формула ( 2 . 1 ) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t 1 до t 2 возможно таким образом:

q = ∫ t 1 t 2 I d t ( 2 . 2 ) .

Произведем подстановку имеющегося по условию закона в ( 2 . 2 ) для получения:

q = ∫ t 1 t 2 ( 1 + 3 t ) d t = ∫ t 1 t 2 d t + ∫ t 1 t 2 3 t d t = t 2 — t 1 + 3 · t 2 2 t 1 t 2 = ( t 2 — t 1 ) + 3 2 t 2 2 — t 1 2 ( 2 . 3 ) .

q = 7 — 3 + 3 2 ( 7 2 — 3 2 ) = 4 + 3 2 · 40 = 64 ( К л ) .

Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:

I c o n s t = q t ( 2 . 3 ) , где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q .

Тогда время протекания заряда равняется:

t = t 2 — t 1 ( 2 . 4 ) .

Выражение ( 2 . 3 ) примет вид:

I c o n s t = q t 2 — t 1 ( 2 . 5 ) .

Произведем подстановку и вычислим:

I c o n s t = 64 7 — 3 = 64 4 = 16 ( A ) .

Ответ: q = 64 К л . I c o n s t = 16 А . .

Источник

Читайте также:  День рождения тока раз в году