Меню

Источником постоянного тока физика

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:

Читайте также:  Окоф для сварочного аппарата постоянного тока

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

Источники постоянного тока

Постоянный ток — это такой ток, который почти (поскольку ничего идеального в мире нет) не изменяется во времени, ни по величине, ни по направлению. Исторически первые источники постоянного тока были исключительно химическими. Сначала они были представлены только гальваническими элементами, а позже появились и аккумуляторы.

Гальванические элементы и аккумуляторы имеют строго определенную полярность, и направление тока в них самопроизвольно не изменяется, поэтому химические источники тока — это принципиально источники постоянного тока.

Источники постоянного тока

Гальванический элемент

Пальчиковая батарейка АА — яркий пример современного гальванического элемента. Цилиндрическая щелочная батарейка ( которую любят называть алкалиновой, тогда как слово «alkaline» переводится как «щелочная») содержит внутри раствор гидроксида калия в качестве электролита. На положительном полюсе батарейки находится диоксид марганца, а на отрицательном — цинк в виде порошка.

Гальванические элементы

Когда внешняя цепь батарейки замыкается на нагрузку, на аноде (отрицательном полюсе) происходит химическая реакция окисления цинка, одновременно с этим на катоде (положительном полюсе) идет реакция восстановления оксида марганца четырехвалентного до оксида марганца трехвалентного.

В результате с отрицательного полюса электроны бегут в сторону положительного полюса через внешнюю цепь нагрузки. Так работает источник постоянного тока — гальванический элемент.

Химический процесс в гальваническом элементе не обратим, то есть пытаться заряжать его бесполезно. Напряжение между полюсами новой пальчиковой батарейки 1,5 вольта, что обусловлено потенциалами веществ, участвующих в химической реакции внутри нее.

Батарейка и лампочка

Аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор, в отличие от батарейки, можно после разрядки снова заряжать, поскольку химический процесс в нем обратим. С виду аккумулятор работает как батарейка, то есть тоже дает в цепь нагрузки принципиально только постоянный ток, но емкость у аккумулятора обычно больше чем у батарейки примерно такого же размера.

Аккумуляторы

В ходе разрядки литиевого аккумулятора, химическая реакция на аноде (отрицательном электроде) состоит в отделении лития от углерода и его переходе в состав соли на катоде (положительном электроде). А при зарядке ионы лития вновь переходят к углероду на аноде.

Разность потенциалов между полюсами литий-ионного аккумулятора может доходить до 4,2 вольт. Максимальный ток зависит от площади взаимодействия электродов внутри аккумулятора с электролитом и соответственно друг с другом.

Генератор

В промышленных масштабах постоянный ток получают при помощи генераторов постоянного тока. Как правило, на статоре такой машины расположены неподвижные магниты либо электромагниты, наводящие во вращающихся контурах ЭДС по закону электромагнитной индукции.

Генераторы на электростанции

Вращающиеся контуры соединены каждый с контактными пластинами щеточно-коллекторного узла, через которые посредством неподвижных щеток и снимается в цепь нагрузки генерируемый ток. Поскольку контуры контактируют с положительной и отрицательной щетками только при прохождении мимо определенных магнитных полюсов статора, ток во внешней цепи получается выпрямленным переменным, то есть пульсирующим постоянным.

Величина тока зависит от сечения проводов, индукции магнитного поля статора и площади статора. Величина напряжения — от скорости вращения ротора генератора и от индукции магнитного поля статора.

Солнечный элемент

Солнечные батареи также дают постоянный ток. Фотоны солнечного света попадая на фотоэлемент вызывают движение положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных электронов через p-n-переход, и во внешней цепи получается таким образом постоянный ток.

Солнечные элементы

Чем больше совокупная площадь фотоэлементов — тем больше электронов и дырок участвуют в образовании тока, тем больший ток можно получить от солнечной батареи. Генерируемое напряжение солнечной батареи зависит от интенсивности солнечного света и от количества соединенных последовательно фотоэлементов, входящих в конструкцию солнечной батареи.

Трансформатор с выпрямителем

Раньше в электронной аппаратуре для получения постоянного тока, при питании от бытовой сети переменного тока, сплошь и рядом использовались блоки питания с трансформаторами на железе. Переменное сетевое напряжение понижалось при помощи трансформатора, а затем выпрямлялось при помощи лампового или диодного выпрямителя.

Трансформатор с выпрямителем

После выпрямителя в такой схеме всегда стоит фильтр, состоящий как минимум из конденсатора, а в лучшем случае — из конденсатора и дросселя, да еще и транзисторного стабилизатора напряжения, особенно если источник тока должен быть регулируемым.

Напряжение на выходе такого блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки трансформатора, а максимальная величина тока — от номинальной мощности трансформатора.

Источник питания для светодиодной ленты

Импульсный блок питания

Сегодня в радиоэлектронной аппаратуре для получения постоянного тока почти не используют блоки питания с низкочастотными трансформаторами на железе, на замену им пришли импульсные блоки питания. В них выпрямленное сетевое напряжение сначала понижается при помощи высокочастотного трансформатора и транзисторных ключей, а затем выпрямляется. Ток направляется через фильтр в конденсатор фильтра.

Импульсный блок питания

Конструкция импульсного блока питания получается гораздо меньше размером, чем с трансформатором на железе. Но шумов в выходном токе больше. Поэтому особое внимание при конструировании импульсных блоков питания уделяют фильтрации тока на выходе к нагрузке.

Напряжение на выходе импульсного блока питания зависит от устройства электронной схемы, а максимальный ток — от размера высокочастотного трансформатора и качества находящихся на схеме радиоэлектронных компонентов.

Конденсатор и ионистор

Источником постоянного электрического тока можно назвать в определенном смысле электрический конденсатор. Конденсатор накапливает электрическую энергию в форме постоянного электрического поля между своими обкладками, а затем может отдавать эту энергию в форме постоянного тока или импульсного разряда. И то и другое по сути — постоянный ток, отличающийся лишь длительностью проявления.

Ионисторы

Но электролитические конденсаторы сегодня выпускаются на огромные емкости в тысячи и более микрофарад. Особая разновидность конденсатора — ионистор (суперконденсатор) — он занимает промежуточное место между аккумулятором и конденсатором.

Химические процессы в ионисторе протекают практически с такой же скоростью как в конденсаторе, но в отличие от аккумулятора, ионистор обладает меньшим внутренним сопротивлением, что позволяет получать от ионисторов большие постоянные токи на протяжении более длительного времени. Чем больше емкость конденсатора — тем больший по величине и более продолжительный ток можно получить с его помощью.

Источник



ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Электрический ток это упорядоченное движение заряженных частиц (электронов и ионов). За направление тока условно принято направление движения положительных зарядов, т.е. от « + » к « — ».

Читайте также:  Восходящий ток растворов органических веществ у растений обеспечивают

Условия, необходимые для существования электрического тока:

  • Наличие свободных заряженных частиц;
  • Наличие электрического поля, действующего на заряженные частицы с силой в определённом направлении;
  • Наличие замкнутой электрической цепи.

Действия тока:

  1. Тепловое: проводник по которому течет ток нагревается.
  2. Химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника (электролита).
  3. Магнитное: ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Вокруг проводника с током существует магнитное поле.

Постоянный ток

Электродвижущая сила.

Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.

Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов.

Сторонние силы — любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т.е. кулоновских).

ЭДС – электродвижущая сила – физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда от «+» полюса к «-» полюсу внутри источника тока. Является энергетической характеристикой источника тока.

Основные характеристики электрического тока

Виды соединений источников тока

Шунтирование амперметра.

Важным примером применения последовательного и параллельного соединения проводов являются различные схемы включения электроизмерительных приборов. Допустим, что имеется некоторый амперметр, рассчитанный на максимальный ток Imax, а требуется измерить большую силу тока. В этом случае параллельно к амперметру присоединяют малое сопротивление r, по которому направится большая часть тока. Его называют обычно шунтом. Сопротивление амперметра – R, и пусть R/r=n. Сила тока в цепи, амперметре и в шунте равны соответственно I, Iа и Iш

Параллельное присоединение шунта к измерительному прибору с целью изменения его чувствительности называют шунтированием. Схема шунтирования амперметра добавочным малым сопротивлением r.

Постоянный ток. Работа и мощность. Закон Джоуля – Ленца.

Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда Dq: A=DqU

Учитывая, что Dq = IDt получаем: A= IUDt = I 2 RDt = Dt

При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую.

Закон Джоуля – Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.

Q = I 2 R t – закон Джоуля – Ленца.

Закон открыт экспериментально независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Х.Ленцем. Q = А – по закону сохранения энергии.

Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени.

Дополнительные материалы по теме

пост эл ток

закон ома

соединение проводников

закон ома для полной цепи

Конспект урока «Постоянный ток. Формулы и схемы».

Источник

Школьная Энциклопедия

Nav view search

Навигация

Искать

Вы здесь: Home Материя и движение Электричество и магнетизм Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц.

В металлах такими частицами являются электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы (катионы и анионы), в ионизированных газах — ионы и электроны, в полупроводниках — электроны и «дырки».

Направлением тока физики условились считать направление, в котором движутся положительные заряды (от плюса к минусу). Если носителями тока являются только отрицательно заряженные частицы, например, электроны в металлах, то в этом случае направление тока противоположно движению электронов.

Движение электрически заряженных частиц внутри макроскопических тел называют током проводимости, а тело, проводящее ток, — проводником.

Электрическая цепь

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Электрическая цепь и схема

Электрические заряды вырабатываются источником тока. А используют ток устройства, которые называются потребителями электрической энергии. В быту это компьютеры, телевизоры, холодильники, электрические лампочки и другие приборы. Для того чтобы доставить к ним ток, их соединяют с источниками тока проводниками. А всё вместе это называется электрической цепью.

Элементы в электрической цепи могут быть соединены последовательно, параллельно или смешанным образом.

При последовательном соединении участок цепи не имеет ни одного узла, а все элементы соединены таким образом, что электрические заряды, двигаясь от источника тока, проходят поочерёдно через каждый из них.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

При параллельном соединении электрические заряды разделяются на группы, которые проходят параллельными потоками через элементы цепи.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Графически электрическая цепь изображается схемой.

Различают постоянный, переменный и пульсирующий токи.

Постоянный электрический ток

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Направленное движение электрических зарядов

Постоянным током называют такой электрический ток, который с течением времени не меняет ни величину, ни направление.

Чтобы ток был постоянным, электрические заряды должны перемещаться вдоль проводников непрерывным и равномерным потоком. Это возможно в том случае, если проводники образуют замкнутый контур и находятся в стационарном электрическом поле.

Источники постоянного тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Источник постоянного тока

Работу источника тока можно сравнивать с работой водяного насоса. Подобно тому как насос перекачивает воду в замкнутой гидравлической цепи, источник тока обеспечивает движение электрических зарядов внутри электрической цепи.

Впервые устройство для получения электричества создал в 1800 г. итальянский физик Алессандро Вольта.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Опустив в банку с кислотой цинковую и медную пластинки и соединив их проволокой, учёный получил непрерывный электрический ток. Это был первый гальванический элемент, химический источник тока, названный «элементом Вольта». Соединив несколько элементов и придав им вертикальное положение, Вольта собрал электрическую батарею, которую впоследствии назвали «вольтовым столбом».

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Но гальванический элемент не может вырабатывать ток бесконечно. Со временем он разряжается. Поэтому вскоре был придуман источник тока многоразового действия — электрический аккумулятор. Он устроен таким образом, что после того как он разрядится, его заряжают снова, пропустив через него ток, по направлению обратный току разрядки. Первый заряжаемый аккумулятор был создан в 1903 г. немецким учёным Иога́нном Вильге́льмом Ри́ттером.

Соединив несколько аккумуляторов, получают аккумуляторную батарею.

На промышленных предприятиях в качестве источников постоянного тока используются генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию в энергию постоянного тока.

Читайте также:  Определите по рисунку направление тока в проводнике если направление действия силы ампера указано

Параметры тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Очень важной количественной характеристикой тока является сила тока (величина тока), или просто ток, — скалярная физическая величина, равная величине заряда, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Но термин «сила тока» не следует воспринимать, как проявление силы в буквальном смысле. В проводниках нет силы. Там есть только движение электрических зарядов.

Если за время t через проводник сечением S протекает Q зарядов, то величина тока выражается формулой

I = Q/t

Единица измерения величины тока в системе СИ — ампер (А). Ток в проводнике равен 1 амперу, если за 1 секунду через проводник протекает заряд величиной в 1 кулон. Измеряют силу тока прибором, который называется амперметром. Он включается последовательно в электрическую цепь.

Для постоянного тока в единицу времени через любое поперечное сечение протекает одинаковое количество электрических зарядов.

Величина, равная отношению силы тока I к площади поперечного сечения проводника S , называется плотностью тока. В системе СИ плотность тока измеряется в А/м 2 . Конечно, практически невозможно найти проводник с диаметром сечения, равным квадратному метру. По этой причине силу тока принято измерять в А/мм 2 .

j = I/S

Любой проводник противодействует протеканию по нему электрических зарядов. Поэтому величина тока в проводнике зависит от другой важной величины, называемой сопротивлением. Это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Она обозначается буквой R и определяется по формуле:

R = U / I ,

где U – напряжение, или разность электрических потенциалов, на концах проводника;

I – сила тока, протекающего между концами проводника.

В систем СИ единицей измерения сопротивления является ом.

Разные материалы по-разному сопротивляются движению тока. Поэтому сопротивление проводника зависит от вещества, из которого он сделан, его длины и сечения.

R = ρ ˑ l /S

где ρ – удельное электрическое сопротивление проводника, его способность препятствовать прохождению электрического тока;

l – длина проводника;

S — площадь поперечного сечения проводника.

Каждый источник постоянного электрического тока создаёт стороннее электрическое поле, совершающее работу по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц и перемещению их в электрической цепи. Эту работу производят любые силы не электрического происхождения, которые действуют внутри источника. Они называются сторонними силами. Возникают эти силы по разным причинам. Например, в гальваническом элементе они появляются в результате химических реакций, а в генераторах постоянного тока – при движении проводника в магнитном поле.

Величина, численно равная работе, которую выполняют сторонние силы, перенося единицу положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС).

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

где Е – ЭДС; А – работа, совершаемая источником по переносу заряда величиной Q .

Единицей измерения ЭДС в системе СИ является вольт ( v , V ). ЭДС источника тока равна 1 вольту, если при перемещении заряда, равного 1 кулону, совершается работа в 1 джоуль.

Перенося электрический заряд, источник тока совершает работу А по внутреннему участку (внутри себя самого) и работу А1 по внешнему участку электрической цепи. Поэтому полная работа А = А + А1 . Разделив обе части уравнения на Q , получим

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Величина A/Q называется падением напряжения на внутреннем участке цепи ( U ), а A1/Q — падением напряжения на внешнем участке цепи ( U1 ).

A = U + U1 , а U1 = А – U .

Величина, равная произведению тока на напряжение, называется мощностью. Единица измерения мощности – ватт.

P = IU = I 2 R = U 2 / R

Если в электрической цепи есть источник ЭДС, то P = I ˑ ε , где ε – ЭДС .

Закон Ома

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Между электродвижущей силой источника, током и сопротивлением цепи существует связь, которую устанавливает закон Ома. Этот закон был получен опытным путём знаменитым немецким физиком Георгом Омом в 1826 г. и назван впоследствии его именем.

Чаще всего встречается такая формулировка закона Ома: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка».

I = U / R

Но это выражение справедливо только для участка электрической цепи. Для полной цепи оно имеет вид:

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

где ε – ЭДС; R – сопротивление внешнего участка цепи; r – сопротивление внутреннего участка цепи.

Изменяя сопротивление, можно регулировать силу тока. Для этой цели используют реостаты – регулируемые сопротивления.

Признаки тока

Как узнать, есть ли в проводнике ток, не используя специальные приборы? Оказывается, сделать это не очень сложно, так как ток, проходящий по проводнику, всегда совершает какое-то действие: тепловое, магнитное или химическое.

Химическое действие тока мы наблюдаем при электролизе, когда происходит оседание веществ на электродах. Под воздействием электрического тока, пропускаемого через раствор или расплав электролита происходит химическая реакция. В результате одно вещество превращается в другое.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Химическое дествие тока

Магнитное действие тока заключается в том, что любой проводник с током приобретает свойства магнита. Пример – катушка с проводом. Если через провод пропустить электрический ток, то катушка начинает притягивать металлические предметы.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Магнитное действие тока

Проходя по проводнику, электрический ток нагревает его. Так проявляется тепловое действие тока. Электрическая энергия превращается в тепловую. Мы наблюдаем это явление в электрическом камине, где раскаляются нити спирали, или в электрическом утюге.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Тепловое действие тока

Это происходит, потому что любой проводник обладает сопротивлением, преодолевая которое ток совершает работу. Часть этой работы выделяется в виде тепла. И чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается. Именно поэтому спирали нагревательных элементов создают из материалов с высоким сопротивлением.

Количество выделяемого тепла Q определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

Этот закон вывел экспериментально английский физик Джеймс Пре́скотт Джо́уль в 1841 г. В 1842 г. независимо от него этот же закон установил российский физик Эмилий Христианович Ленц.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Джеймс Прескотт Джоуль

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Эмилий Христианович Ленц

Количество теплоты, которое выделяет ток в проводнике, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени .

Q = I 2 Rt

Применение постоянного тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Область применения постоянного тока широка. В промышленном производстве его применяют для получения чистых металлов (алюминия, меди, никеля, калия, магния, натрия и др.) на установках промышленного электролиза. В гальванике он используется для создания металлического покрытия на поверхности различных предметов. Постоянным током проводят электрогазосварочные работы.

В медицине широко используется процедура, называемая электрофорезом, где с помощью постоянного тока в организм вводятся лекарственные вещества.

Постоянный ток применяется в микроэлектронике, электрических схемах автомобилей и др.

Электродвигателями постоянного тока оборудованы тепловозы, электропоезда, троллейбусы и трамваи.

Источник