Меню

Какие заряженные частицы могут образовывать электрический ток

Электрический ток. Действие электрического тока. Условия существования электрического тока. Основные характеристики электрического тока.

Электрический ток. Действие электрического тока. Условия существования электрического тока. Основные характеристики электрического тока.

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

1. Направленное движение свободных зарядов в проводнике под действием сил тока называется электрическим током проводимости или электрическим током.
2. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц,которое совпадает с направлением электрического поля.
Действия тока:
• Проводник, по которому течёт ток, нагревается.
• Электрический ток может изменять химический состав проводника.

• Ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела, что является основным свойством тока.
Условия существования электрического тока.
• Наличие свободных заряженных частиц
• Наличие электрического поля

Основные характеристики электрического тока
1. Характеристика тока (самая зависимая величина). Величина, измеряемая отношением заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за какой-нибудь промежуток времени, к величине этого промежутка, называется силой тока. Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

2. Характеристика источника питания(зависимая только от силы электрического поля). Напряжение — это физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению заряда

З. Характеристика проводника. Электрическое сопротивление выражается в Омах.

Закон Ома для участка цепи. Вольт — амперная характеристика тока. Соединение проводников.

Когда по какому-либо участку протекает ток, то между силой тока и напряжением для этого участка существует определённая функциональная зависимость, которую называют вольт-амперной характеристикой.
Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Соединение проводников
• Последовательное соединение
1. При последовательном соединении сила тока во всех участках цепи одинакова

2. При последовательном соединении напряжение на внешней цепи равно сумме напряжений на отдельных участках
U=U+U+U
З. Напряжение на отдельных участках цепи при последовательном соединении прямо пропорциональны сопротивлениям участков

UUU=RRR
4. При последовательном соединении эквивалентное сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков цепи

R=R+R+R
• Параллельное соединение
1. При параллельном соединении напряжения на отдельных ветвях и на всём разветвлении одинаково

U=U=U=U
2. Ток до и после разветвления равен сумме токов в отдельных ветвях

3. Токи в отдельных ветвях разветвления обратно пропорциональны сопротивлениям этих ветвей
I+I+I=1/R+1/R+1/R

4. Проводимость всего разветвления равна сумме проводимостей. отдельных ветвей

Закон Ома для полной цепи. Физический смысл ЭДС. Внутренней и внешнее сопротивление цепи. Соединение одинаковых источников электрической энергии в батарею.

Сила тока в электрической цепи с одним источником ЭДС прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней и внутренней цепей.

Величина, измеряемая отношением работы сторонних сил, совершаемой источником тока при перемещении заряда по замкнутой цепи, к величине заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС)
ɛ=A/g — ЭДСчисленно равна энергии, полученной единичным электрическим зарядом во внутренней цепи, а напряжение равно той энергии, которую он теряет во внешней цепи.

Внутренней цепью является источник электрической энергии, а внешней вся остальная часть.

Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Правило правой руки для индукционного тока.

Магнитный Поток — поток вектора магнитной индукции В через какую-либо поверхность. через малую площадку dS, в пределах которой вектор В неизменен. Для замкнутой поверхности магнитный поток равен нулю, что отражает отсутствие в природе магнитных зарядов — источников магнитного поля.

Закон электромагнитной индукции — ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Правило правой руки.Направление индукционного тока, возникающего в прямолинейном проводнике при его движении в магнитном поле, определяется правилом правой руки: Если правую руку расположить вдоль проводника так, чтобы линии магнитной индукции входила в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока в проводнике.

Автоколебательные системы. Ток высокой частоты и его особенности.

Для того чтобы получить незатухающие колебания нужно иметь посторонний источник энергии.,

удовлетворяющий 2 условиям: Поступление энергии за период должно быть точно ее убыли из системы.

Внешняя сила должна действовать в «такт» с собственными колебаниями.

Производство электрической энергии. Генератор.

Индукционные генераторы.

Электрические машины, в которых механическая энергия превращается в электрическую с помощью явления электромагнитной индукции, называется индукционными генераторами.

Закон преломления света.

1. Преломленный луч лежит в той же плоскости, в которой лежат падающий луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе разделов двух сред.

2. При всех изменениях углов падения и преломления отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная, называется показателем преломления второй среды относительно первой. (относительный показатель преломления)Он показывает, насколько среда уменьшает скорость распространения света в себе.

Абсолютный показатель преломления-показатель преломления данного вещества по отношению к вакууму. Указывает во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данном веществе. N=

Явление при котором световое излучение полностью отражается от поверхности раздела прозрачных сред, называется полным отражением. Наименьший угол падения, при котором наступает полное отражение, называется предельным углом полного отражения.Используется в оптических приборах: бинокли, перископах.

Цвета тонких пленок.

Белый свет падает на тонкую пленку. Частично свет отражается от верхней поверхности пленки, частично, пройдя пленку, отражается от ее нижней поверхности. Обе отраженные волны отличаются разностью хода. Белый свет монохроматичен он содержит электромагнитные волны разной длин от 400 до 760нм. Из-за того что разность хода зависит от длины волны, максимумы интерференционной картины для разных длин волн получаются в разных точках приемника. Поэтому пленки имеют радужный окрас.

Голография и её применение.

Сущность идеи состояла в фиксации полной информации о предмете.. Изображения получаемые

в фотоаппаратах регистрируют интенсивность волны. Фаза волны теряется. Габорг предложил

использовать явление интерференции чтоб зафиксировать частотные соотношения в волне. Если фотография регистрирует 1 параметр волны –амплитуду то, по методу регистрации полная информации о всех параметрах волны –частоте фазы и амплитуде. Голографический метод состоит из 2 этапов. Сначала получают интерференционную картину, Оба потока которые отражаются от зеркала и от предмета образуют интерференционную картину., представляющую собой чередование темных и светлых пятен. Для восстановления голограммы ее освещают излучениями.

Достоинства: В обычной фотографии каждый участок эмульсии изображает отдельный участок предмета. В голограмме каждый участок содержит информацию о всей картине .Голограмму характеризует большая емкость информации по сравнению с фотоснимком.

Применяется в количественном исследовании воздушных потоков в аэродинамических трубах.

52. Виды излучения. Тепловое и люминесцентное излучение (основные характеристики с примерами).

Свет- Электромагнитные волны излучают при ускоренном движении заряженных частиц. Излучение переходит при переходе из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей .При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в состояние в большей энергией, Излучая атом теряет полученную энергию и для непрерывного свечения необходим приток энергии .

Тепловое излучение — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии. Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.

Спектром люминесценции называют зависимость интенсивности люминесцентного излучения от длины

волны испускаемого света.

Квантовая оптика. Абсолютно чёрное тело. Закон Стефана — Больцмана. Распределение энергии в спектре. Квантовая гипотеза Планка.

Излучение испускаемое нагретыми телами наз. тепловым. Каждое тело может не только испускать но и поглощать. Опыты показали что чем больше энергии тело излучает тем сильнее оно поглощает излучение. Хар-кой любого тела является поглощательная способность(показывает какая доля энергии поглощается телом)

Тело которое при любой не разрушающей его температуре полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой частоты наз абсолютно черным.(отверстие в ящике сферической формы)Абсолютно черное тело является наиболее интенсивным источником теплового излучения. При оной температуре черное тело испускает в единицу времени больше энергии чем любое другое тело.

Закон ст.б-интегральной светимостью тела наз отношение мощность излучения к площади поверхности излучателя. Спектральной светимостью наз отношение светимости в данном диапазоне длин волн к ширине диапазона.

Задача о распределении энергии излучения абсолютно черного тела между волнами разной длинны сыграла огромную роль .ее решение привело к созданию квантовой физики. на рисунке хар-ие распределение энергии в спектре при разных Темп. площадь ограниченная каждой кривой определяет интенсивность полного излучения. Площадь быстро растет с увелич темп. все кривые имеют максимумы. Длинна волны на которую приходится максимум энергии излучения обратно пропорциональная абсолютной температуре.

Планка- абсолютно черное тело испускает и поглощает свет не непрерывно а определенными порциями энергии –квантами

59. Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Квантовая теория фотоэффекта. Фотон и его энергетические характеристики.

Явление выравнивания электронов из твердых и жидких тел под действием света наз внешним фотоэлектрическим эффектом. Фотоэффект создается ультрафиолетовыми лучами.

Законы: максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности,

-для каждого вещества сущ красная граница фотоэффекта

-число фотоэлектронов вырываемых из катода за 1 с прямо пропорционально интенсивности света

Ур Эйнштейна –h*v=Aв+m*vв2 /2 Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода электрона.

Фотон его импульс направлен световому лучу .чем больше частота тем больше энергия фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света.

Фотохимические законы

1. Каждый поглощенный веществом фотон вызывает превращение одной молекулы.

2. Молекула вступает в фотохимическую реакцию под действием фотона лишь в том случае, когда энергия фотона не меньше определеннного значения необходимого для разрыва молекулярных связей.

Световое давление.Прибор Лебедева представляет собой очень чувствительные крутильные весы подвижной частью является легкая рама с укрепленными на ней крылышками — светлыми и черными дисками. Так на черный диск почти вдвое меньше давления, чем на светлый. Плотность энергии Лебедев измерял с помощью специально сконструированного калориметра, направляя на него пучок света на определенное время и регистрируя повышение температуры.

Читайте также:  Формулировка первого закона кирхгофа сумма токов втекающих в узел равна

Свет – это распространяющиеся в пространстве фотоны, то фотон обладает импульсом. Импульс фотона существенно отличается от импульса других элементарных частиц. Покоящихся фотонов не существует .Если распространяющуюся волну остановить то свет прекратит свое существование, значит фотоны будут поглощены атомами вещества, а их энергия перейдет в другой вид энергии.

Открытие нейтрона. Открытие протона. Протонно — нейтронная модель ядра. Нуклоны.

Открытие нейтрона. В начале 30-х гг. были обнаружены неизвестные ранее лучи. Они были названы бериллиевым излучением. так как возникали при бомбардировке альфа — частицами бериллия.
В 1932 г английский учёный Джеймс Чедвик (ученик Резерфорда) с помощью опытов, проведённых в камере Вильсона, доказал, что бериллиевое излучение представляет собой поток электрически нейтральных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона. Отсутствие у исследуемых частиц электрического заряда следовало, в частности, из того, что они не отклонялись ни в электрическом, ни в магнитном поле. А массу частиц удалось оценить по их взаимодействию с другими частицами.
Эти частицы были названы нейтронами (ни тот, ни другой).

Открытие протона.В 1913 г. Э. Резерфорд выдвинул гипотезу о том, что одной из частиц, входящих в состав атомных ядер всех химических элементов, является ядро атома водорода.

Основание: массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз (т.е. кратны ей).

В 1919 г. Резерфорд поставил опыт по исследованию взаимодействия альфа — частиц с ядрами атомов азота.

В этом опыте альфа — частица, летящая с огромной скоростью, при попадании в ядро атома азота выбивала из него какую- то частицу. По предположению Резерфорда, этой частицей было ядро атома водорода, которое Резерфорд назвал протоном (первый).

Нуклон.Так как протон и нейтрон по взаимодействию ядерными силами не отличаются друг от друга, их часто рассматривают как одну частицу нуклон в двух различных состояниях (ядро). Нуклон в состоянии без электрического заряда называется нейтроном, нуклон в состоянии с положительным электрическим зарядом называется протоном.

Одно из замечательных свойств ядерных сил — свойство насыщения — заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно лишь с небольшим числом нуклонов-соседей. Свойство насыщения ядерных сил делает их в некоторой мере сходными с силами связи атомов в молекулах.

Электрический ток. Действие электрического тока. Условия существования электрического тока. Основные характеристики электрического тока.

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

1. Направленное движение свободных зарядов в проводнике под действием сил тока называется электрическим током проводимости или электрическим током.
2. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц,которое совпадает с направлением электрического поля.
Действия тока:
• Проводник, по которому течёт ток, нагревается.
• Электрический ток может изменять химический состав проводника.

• Ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела, что является основным свойством тока.
Условия существования электрического тока.
• Наличие свободных заряженных частиц
• Наличие электрического поля

Основные характеристики электрического тока
1. Характеристика тока (самая зависимая величина). Величина, измеряемая отношением заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за какой-нибудь промежуток времени, к величине этого промежутка, называется силой тока. Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

2. Характеристика источника питания(зависимая только от силы электрического поля). Напряжение — это физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению заряда

З. Характеристика проводника. Электрическое сопротивление выражается в Омах.

Источник

Электрический заряд — это величина или частица, и в чем он измеряется

Что такое электрический заряд и в чем он измеряется?

Электричество нас окружает со всех сторон. Но когда-то это было не так. Потому что само слово произошло от греческого названия конкретного материала: «электрон», по-гречески, «янтарь». С ним проводили занятные эксперименты, похожие на фокусы. Люди всегда любили чудеса, а тут — всякие пылинки, ворсинки, ниточки, волосинки, начинали притягиваться к кусочку янтаря, стоило только его потереть лоскутком ткани. То есть вот у камушка этого золотистого никаких «ручек» маленьких нет, а ворсинки поднимать может.

Оглавление:

  • Накопление электричества и знаний о нём
  • Электрический заряд — закон сохранения заряда
  • Частица электричества — минимальный заряд
  • Направление тока. Кто у нас в заряде главный?
  1. Накопление электричества и знаний о нём
  2. Электрический заряд — закон сохранения заряда
  3. Частица электричества — минимальный заряд
  4. Направление тока. Кто у нас в заряде главный?

Накопление электричества и знаний о нём

Зримое накопление электричества происходило и когда надевали на себя поделки из янтаря: янтарные бусы, янтарные заколки для волос. Тут уж объяснений, кроме как явной магии, не могло быть никаких. Ведь, чтобы фокус удавался, перебирать бусы надо было исключительно чистыми сухими руками и сидя в чистой одежде. И чистые волосы, хорошо потёртые заколкой, дают нечто красивое и устрашающее: нимб торчащей кверху шевелюры. Да ещё потрескивание. Да ещё в темноте вспышки. Это же действие духа, требовательного и капризного, равно как и страшного и непонятного. Но настала пора, и электрические явления перестали быть территорией духа.

До открытия природы электричества, многие явления приписывались магии

Стали всё что угодно называть просто — «взаимодействие». Вот уж тогда и начали экспериментировать. Придумали специальную машину для этого (электрофорная машина), и банку для накопления электричества (лейденская банка). И прибор, который уже мог показывать некоторое «равно-больше-меньше» в отношении электричества (электроскоп). Осталось только всё это объяснить с помощью набиравшего силу языка формул.

Так, человечество додумалось до необходимости осознания наличия в природе некоего электрического заряда. Собственно, в названии никакого открытия не содержится. Электрический — значит, связанный с явлениями, изучение которых началось с магии янтаря. Слово «заряд» говорит только о неясных возможностях, заложенных в предмет, как ядро в пушку. Просто ясно, что электричество можно как-то добывать и как-то накапливать. И как-то ого должно измеряться. Равно как и обычное вещество, например, масло.

И, по аналогии с веществами, о мельчайших частицах которых (атомах), говорили уверенно ещё со времён Демокрита, и решили, что заряд должен непременно состоять из аналогичных очень маленьких «корпускул» — телец. Количество которых в большом заряженном теле и даст величину электрического заряда.

Электрический заряд — закон сохранения заряда

Разумеется, тогда и приблизительно не могли представить, сколько таких электрических «корпускул» может оказаться хотя бы в совсем небольшом заряженном теле. Но практическая единица электрического заряда была всё-таки нужна. И её стали придумывать. Кулон, в честь кого такую единицу потом назвали, видимо измерял величины зарядов с помощью металлических шариков, с которыми проводил опыты, но как-то относительно. Открыл свой знаменитый закон Кулона, в котором алгебраически записал, что сила, действующая между двумя, разнесёнными на расстояние R зарядами q1 и q2, пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Коэффициент k зависит от среды, в которой происходит взаимодействие, в вакууме же он равен единице.

Шарль Огюстен де Кулон, французский физик, открывший одноименный закон

Вероятно, после Кеплера и Ньютона такие вещи делать было не так уж и сложно. Расстояние измерить легко. Заряды он делил физически, прикасаясь одними шариками к другим. Получалось, что на двух одинаковых шариках, если один заряжен, а другой нет, при соприкосновении заряд делится пополам — разбегается по обоим шарикам. Так, он получал дробные значения исходной неизвестной величины q.

Изучая взаимодействие электрических зарядов, он делал замеры при разных расстояниях между шариками, фиксировал отклонения на своих крутильных весах, которое при этом получаются, когда заряженные шарики отталкиваются друг от друга. Видимо, его закон — то была чистая победа алгебры, так как единицы измерения заряда «кулон» сам Кулон не знал и знать просто не мог.

Другой победой было открытие того факта, что общее количество этой самой величины q в шариках, которые он сумел зарядить таким способом, оставалось всегда неизменным. За что открытый закон он и назвал законом сохранения заряда.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + + q n

Надо отдать должное аккуратности и терпению учёного, а также отваге, с которой он провозгласил свои законы, не имея единицы количества того, что изучал.

Частица электричества — минимальный заряд

Это уже потом догадались, что элементарным, то есть самым маленьким, электрическим зарядом является электрон. Только не маленький кусочек янтаря, а невыразимо малая частица даже уже не вещества (почти), но которая обязательно есть в любом вещественном теле. И даже в каждом атоме любого вещества. И не только в атомах, но и вокруг них. И те:

  • что находятся в атомах, называются связанные электроны.
  • а которые вокруг — свободные электроны.

Связанными в атоме электроны бывают потому, что атомное ядро тоже содержит частицы заряда — протоны, и каждый протон обязательно притянет к себе электрон. Как раз по закону Кулона.

А заряд, который вы можем видеть или чувствовать получается в результате:

  • трения,
  • накопления,
  • химической реакции,
  • электромагнитной индукции,

составляют только свободные электроны, которые были выброшены из атомов по причине разных недоразумений:

  1. от удара другого атома (тепловая эмиссия)
  2. кванта ли света (фотоэмиссия) и по другим причинам

и бродящие внутри огромных макроскопических тел (например, волосинок).

Электрон - всегда отрицательно заряженная частица

Для электронов тела наших предметов действительно огромны. В одной единице заряда (кулоне) — электронов содержится примерно вот сколько: 624 150 912 514 351 000 с небольшим. Звучит это так: 624 квадриллиона 150 триллионов 912 миллиардов 514 миллионов 351 тысяча электронов в одном кулоне электрического заряда.

Читайте также:  Определить токи в ветвях если значения сопротивления равны

А кулон, это величина совсем простая и нам близкая. Кулон, это тот самый заряд, который протекает в одну секунду через сечение проводника, если ток в нём имеет силу в один ампер. То есть при 1 ампере за каждую секунду через поперечное сечение проволочки будут мелькать как раз вот эти 624 квадриллиона электронов.

Электроны настолько подвижны, и так быстро передвигаются внутри физических тел, что включают нам электрическую лампочку в одно мгновение, как только мы нажмём на выключатель. И поэтому электрическое взаимодействие у нас такое быстрое, что каждую секунду происходят события, называемые «рекомбинация». Сбежавший электрон находит атом, из которого электрон как раз убежал, и занимает в нём свободное место.

Количество таких событий в секунду тоже порядка, ну, все это себе уже представляют. И эти события непрерывно повторяются, когда электроны покидают атомы, потом в атомы возвращаются. Убегают возвращаются. Такова их жизнь, без этого они просто не могут существовать. И только благодаря этому существует электричество — та система, которая стала частью нашей жизни, нашего комфорта, нашего питания и сохранения.

Направление тока. Кто у нас в заряде главный?

Только так и остался один небольшой курьёз, который все знают, но никто из физиков так и не желает исправить.

Заряд может быть как положительным, так и отрицательным

Когда Кулон фокусничал со своими шариками, видели, что заряды бывают двух видов. И заряды одного вида отталкиваются друг от друга, а заряды разных притягиваются. Естественно было назвать одни из них положительными, а другие отрицательными. И предположить, что электрический ток течёт оттуда, где больше, туда, где меньше. То есть от плюса к минусу. Так оно и закрепилось в головах физиков на многие поколения.

Но обнаружить потом удалось первыми не электроны, а ионы. Это как раз те самые безутешные атомы, потерявшие свой электрон. В ядре которых имеется «лишний» протон, и потому они заряжены. Ну а как это обнаружили, так сразу и вздохнули, и сказали — вот он, заряд ты наш положительный. И за протоном так закрепилась слава положительно заряженной частицы.

А потом догадались, что атомы чаще всего бывают нейтральными потому, что электрический заряд ядра уравновешивается зарядом электронных оболочек, вращающихся вокруг ядра. То есть построили планетарную модель атома. И только тогда поняли, что атомы составляют всё (почти) вещество, его твёрдую кристаллическую решётку, или всю массу его жидкого тела. То есть протоны с нейтронами солидно сидят в ядрах атомов. А не на побегушках, как лёгкие и подвижные электроны. Следовательно, ток бежит не от плюса к минусу, а наоборот, от минуса к плюсу.

Источник



Электрический ток

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).

Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. — Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. — Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест — дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.

На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE, которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.

Заряды в электрическом поле

На рисунке показано, что вектор силы F = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.

Электрический ток

Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:

Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2 :

Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ1 и φ2 между этими точками из расчёта:

U = A/Q = φ1φ2

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток — электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.

В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. — Электролиз.
Анионы — положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду — катоду.
Катионы — отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду — аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.

Электрический ток в газах — плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.

Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах — лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

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.

Читайте также:  Повышение частоты электрического тока

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