Условия существования электрического тока

О существовании электрического тока в проводнике можно судить по его тепловому (1), химическому (2) или магнитному (3) взаимодействию.

Условия существования электрического тока

Сегодня мы не можем представить, как люди в прошлом обходились без электричества. Электричество стало частью нашей жизни. Многие электроприборы, которые делают нашу жизнь комфортной, подключены к домашней электросети.

Мы не можем видеть движение электронов в проводнике, но их упорядоченное движение можно увидеть очень четко.

  1. Проводник, по которому течет электрический ток, нагревается. Это явление используется в нагревательных приборах, лампах накаливания и электроплитах.
  2. Электролиты являются хорошими проводниками электричества. Когда через них проходит ток, не только нагревается электролит, но и выделяется вещество на электродах.
  3. Если вы приложите магнитную стрелку к проводнику с током, вы увидите, как она отклоняется от своего первоначального положения.

О том, что в проводнике течет электрический ток, можно судить по его тепловому (1), химическому (2) или магнитному (3) действию.

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

Такие заряженные частицы в металлах представляют собой свободные электроны, покинувшие внешние оболочки атомов. Свободные электроны, подобно молекулам идеального газа, беспорядочно перемещаются между атомами и ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки.

Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, в нем должно быть создано электрическое поле, которое поддерживается источниками электрического тока.

Следовательно, для существования тока в проводнике необходимы следующие условия:

* Наличие свободных электрических зарядов в среде.
* создание электрического поля в среде.

Электрический ток. Условия для существования электричества. Основные понятия.

Электрический ток — это упорядоченное, направленное движение электрических зарядов. Направление тока — это направление положительных зарядов.



Если в проводнике течет ток, то он сопровождается следующими действиями:

* магнитный (наблюдается во всех проводниках).
* тепловой (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников)
* химический (наблюдается в электролитах).

Для возникновения и поддержания тока в данной среде необходимо выполнение двух условий:

* наличие свободных электрических зарядов в среде
* создание электрического поля в среде.

Электрическое поле в среде необходимо для создания направленного движения свободных зарядов. Известно, что на заряд q в электрическом поле напряженности E действует сила F = q* E, которая заставляет свободные заряды двигаться в направлении электрического поля. Показателем существования электрического поля в проводнике является наличие ненулевой разности потенциалов между любыми двумя точками проводника,
Однако электрические силы не могут поддерживать электрический ток в течение длительного времени. Направленное движение электрических зарядов через некоторое время приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и, следовательно, электрическое поле в проводнике исчезает.

Для поддержания тока в электрической цепи на заряды в дополнение к кулоновской силе должны действовать силы неэлектрической природы (внешние силы).
Устройство, создающее внешние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электричество, называется источником тока.
Чтобы электрический ток существовал в замкнутой цепи, в ней должен быть источник тока.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Ампераж — это I, а единица измерения — 1А (ампер).
Ток — это величина, равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника в единицу времени.
I = Dq/Dt .

Эта формула действительна для постоянного тока, когда сила и направление тока не изменяются во времени. Если сила тока и его направление изменяются во времени, то такой ток называется переменным.
Для переменного тока:
I = lim Dq/Dt ,
Dt — 0

Т.е. I = q’, где q’ — производная заряда по времени.
2 Плотность тока — j, единица измерения — 1 А/м2.
Плотность тока — это величина, равная количеству тока, протекающего через единицу поперечного сечения проводника:
j = I/S .

3. электродвижущая сила источника тока равна э.д.с. ( e ), единица измерения — 1 В (вольт). e.m.f. это физическая величина, равная работе, совершаемой внешними силами при перемещении единичного положительного заряда по электрической цепи:
e = Ast./q .

4 Сопротивление проводника равно R, а единица измерения — 1 Ом.
Под действием электрического поля в вакууме свободные заряды будут двигаться с ускоренной скоростью. В веществе они движутся в среднем равномерно, поскольку при столкновениях отдают часть своей энергии частицам вещества.

Теория заключается в том, что энергия упорядоченного движения зарядов рассеивается искажениями в кристаллической решетке. Из природы электрического сопротивления следует, что
R = r*l/S ,

где
l — длина проводника,
S — площадь поперечного сечения,
r — коэффициент пропорциональности, называемый удельным сопротивлением материала.
Эта формула хорошо подтверждается опытом.
Взаимодействие частиц в проводнике с зарядами, движущимися в токе, зависит от хаотического движения частиц, т.е. от температуры проводника. Известно, что
r = r0(1 + a t) ,
R = R0(1 + a t) .

Коэффициент a называется температурным коэффициентом сопротивления:
a = (R — R0)/R0*t .

Для химически чистых металлов a > 0 и равен 1/273 K-1. Для сплавов температурные коэффициенты имеют меньшее значение. Зависимость r(t) для металлов является линейной:

В 1911 году было открыто явление сверхпроводимости, при котором при температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление некоторых металлов скачком падает до нуля.

Для некоторых веществ (например, электролитов и полупроводников) удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, что объясняется увеличением концентрации свободных зарядов.
Обратная величина удельного сопротивления называется удельной электропроводностью s
s = 1/r .

5 Напряжение равно U , единица измерения — 1 В.
Напряжение — это физическая величина, равная работе, совершаемой внешними и электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда.

1 Эта скорость также называется скоростью дрейфа частиц.

Действие электрического тока.

Мы не наблюдаем движение заряженных частиц в проводнике. Однако о существовании электрического тока можно судить по различным явлениям, которые он производит. Такие явления называются взаимодействиями электрического тока.

(1) Проводник, по которому течет электрический ток, нагревается. Это тепловое действие тока. Именно тепловое действие тока нагревает катушки электроплиты, утюг или белую вольфрамовую нить в электрической лампочке.

2. электрический ток может изменить химический состав проводника. Это химическое действие тока. Например, когда мы пропускаем ток через раствор сульфата меди, из раствора выделяется медь, а когда пропускаем ток через подкисленную воду, она разлагается на водород и кислород. Химическое действие происходит только при прохождении тока через растворы электролитов или сплавов. 3.

3. электрический ток обладает магнитным эффектом. Магнитная стрелка, расположенная вдоль проводника с током, вращается перпендикулярно проводнику (рис. 1.1).

Это явление было открыто Эрстедом в 1820 году. Если изолированный провод намотать на железный гвоздь, он становится магнитом и притягивает железные опилки (рис. 1.2).

Магнитное действие электричества, в отличие от теплового и химического действия, является фундаментальным, потому что оно всегда сопровождает ток.

Что такое электрический ток?

Дадим строгое определение того, что мы называем электрическим током.

Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц называется электрическим током.

Электрический ток существует только тогда, когда происходит перенос электрического заряда из одного места в другое. Если заряженные частицы находятся в неупорядоченном тепловом движении, как, например, свободные электроны в куске металла, перенос заряда не происходит (рис. 1.3, а).

Электрический заряд движется по проводнику в определенном направлении, если, помимо случайного движения, электроны участвуют в упорядоченном движении заряженных частиц (рис. 1.3, б). В этом случае в проводнике возникает электрический ток.

Электрический ток возникает в результате упорядоченного движения свободных электронов в металле, положительных и отрицательных ионов в водных растворах и сплавах электролитов (солей, кислот, оснований), ионов и электронов в газах, падения заряженных капель дождя, движения заряженного эбонитового стержня и т.д.

Электрический ток имеет определенное направление. Направление тока — это направление движения положительно заряженных частиц. Поэтому, если ток возникает при движении отрицательно заряженных частиц, считается, что направление тока противоположно направлению движения частиц.

Сила тока.

Электрический ток в проводнике характеризуется физической величиной — силой тока.

Ток — это скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, перенесенного через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к величине этого промежутка.

Формула (1) выражает среднее значение за интервал времени Δt среднее значение тока. Если через любое сечение проводника в равные промежутки времени протекают одинаковые заряды, то есть сила тока и его направление не меняются во времени, то электрический ток называется постоянным. Сила постоянного тока численно равна заряду, который проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

Силу тока иногда удобно представить как положительную или отрицательную величину, в зависимости от выбора положительного направления вдоль проводника. Если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением, то I > 0если нет I < 0. Ампераж часто понимается как его абсолютное значение, дополнительно указывающее на направление тока.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А) является основной единицей силы тока. Он основан на магнитном взаимодействии двух проводников с токами. В соответствии с уравнением (1) мы можем написать: 1A = 1 кл/1с.

Условия возникновения и существования электрического тока.

Рассмотрим условия, которые необходимы для возникновения и существования электрического тока.

1. наличие свободно заряженных частиц (носителей заряда). Носителями заряда в металлах и полупроводниках являются электроны; в растворах электролитов — положительные и отрицательные ионы; в газах — электроны и ионы.

2. Наличие силы, действующей на заряженные частицы (носители заряда) в определенном направлении. Заряженные частицы, как мы знаем, взаимодействуют с электрическим полем с силой =. q . Обычно именно электрическое поле внутри проводника вызывает и поддерживает упорядоченное движение заряженных частиц.

Только в статическом случае, когда заряды находятся в покое, внутри проводника нет электрического поля.

Если внутри проводника существует электрическое поле, то между концами проводника возникает разность потенциалов (напряжение). Если это не меняется со временем, то в проводнике возникает постоянный ток.

Для того чтобы ток в проводнике существовал непрерывно AB (рис. 1.4), нам нужно, чтобы концы проводника находились под разными потенциалами.

Это можно сделать различными способами. Например, можно непрерывно заряжать тело А и корпус разгрузки A В. Можно зарядить тело A А от гальванопластической машины и тела В земля (рис. 1.4, а). Но можно поддерживать непрерывный ток в проводнике, разряжая заряды обратно от тела В к телу А по другому проводнику, образуя для этого замкнутую цепь (рис. 1.4, б).

Однако под действием того же электрического поля такой перенос заряда невозможен, поскольку потенциал тела В меньше, чем потенциал тела В А. Перенос заряда с тела В на тело A А может быть достигнуто только силами неэлектрического происхождения — внешними силами.

Все силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электростатических (кулоновских) сил, называются внешними силами.

Наличие таких сил обеспечивается источником тока, находящимся в электрической цепи. Силы в источнике тока переносят заряд от тела с более низким потенциалом к телу с более высоким потенциалом, то есть источник тока обладает энергией. Источниками тока являются электрические машины, гальванические элементы, батареи, генераторы и т.д. Ряд соединенных проводников вместе с источником тока образуют замкнутую электрическую цепь.

На рисунке 1.4, в показана схема электрической цепи с источником тока. Клеммы А и В источники имеют избыточные заряды — положительные и отрицательные. Во внешней части цепи положительные заряды перемещаются под действием электрического поля от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Во внутренней части схемы BA перевод расходов из В к А реализуется внешними силами, действующими в источнике тока.

Как возникает электрическое поле внутри проводника при наличии источника тока? Когда проводник подключается к клеммам источника, свободные заряды проводника вблизи клемм смещаются и взаимодействуют своим электрическим полем с соседними зарядами. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передается по всей цепи, в результате чего на поверхности проводника появляются заряды, создающие электрическое поле в проводнике, которое обеспечивает существование постоянного тока. Это поле является потенциальным полем, как и электростатическое поле.

Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике.

Рассмотрим, как сила тока в однородном проводнике связана с величинами, характеризующими движение заряженных частиц. Определим очень малый объем среды, в котором существует электрический ток, в виде простого цилиндра с площадью поперечного сечения S (рис. 1.5).

Цилиндр ориентирован так, что его основания перпендикулярны скорости упорядоченного движения частиц. Под скоростью упорядоченного движения частиц 1 в небольшом объеме ΔV (но содержащий много частиц) понимается как отношение геометрической суммы скоростей частиц к числу частиц в объеме:

1 Эта скорость также называется скоростью дрейфа частиц.

Средняя скорость хаотически движущихся частиц равна нулю.

Пусть высота цилиндра равна пути υΔtпройденный частицами за время Δt. Здесь υ — модуль скорости упорядоченного движения частиц. Тогда все заряженные частицы внутри цилиндра в момент времени Δt Поперечное сечение цилиндра с поверхностью В. Если концентрация заряженных частиц в среде nто в момент времени Δt через поперечное сечение площадью S будет нести заряд, в котором q0 — это заряд одной частицы.

Используя уравнение (1), найдем силу тока в проводнике:

Таким образом, ток в проводнике прямо пропорционален модулю заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, модулю скорости их упорядочения и площади поперечного сечения проводника.

Из формулы (2) следует, что скорость упорядоченного движения частиц в проводнике равна

Для металлического проводника заряд q0переносимый каждой частицей, — это заряд электрона: q0 = е. Следовательно,

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике очень мала. Было рассчитано, что в медном проводнике с площадью поперечного сечения 1 мм2 эта скорость составляет около 7 ∙ 10 -4 м/с при силе тока 10 А. Это в сотни миллионов раз меньше, чем средняя скорость их теплового движения.

Вопросы:

1. приведите примеры того, как работает электрический ток.

2. что такое электрический ток?

3. какова сила тока?

4. какие условия необходимы для существования и существования электрического тока?

5. От каких физических величин зависит скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике?

Вопросы для обсуждения:

1. электроны в металлах движутся под действием электрического поля, напряженность которого равна . Таким образом, она действует на электроны с силой =. q . Почему электроны движутся не с одинаковой скоростью?

2. в проводнике с переменным сечением (S1 > S2) протекает электрический ток. Сила тока составляет I. Одинакова ли напряженность электрического поля на участках провода 1 — 2 и 2 — 3 (рис. 1.6)?

Одинакова ли сила тока на этих частях?

3 Почему, если я наступлю на рельсы трамвайного пути, по которому проходит ток, меня не ударит током?

Пример решения проблемы

Ток в однородном металлическом проводнике изменяется по закону I = ktгде коэффициент пропорциональности k = 10 А/с. Определите модуль заряда, проходящего через поперечное сечение проводника в интервале времени от 2 до 5 с.

Площадь фигуры под графиком (в данном случае трапеции) численно равна модулю заряда, проходящего через поперечное сечение проводника.

Подставляя численные данные, получаем

Ответ: q = 105 кл.

Упражнения:

1. Определите силу тока в проводнике, если через его поперечное сечение за 10 секунд проходит 2 ∙ 10 20 свободных электронов.

2. сила тока в колбе карманного фонаря равна 0,32 А. Сколько электронов пройдет через поперечное сечение нити за 0,1 с?

3. источник тока, амперметр, лампочка и ключ соединены последовательно и образуют электрическую цепь. За 20 с через поперечное сечение нити накала лампы проходит заряд, модуль которого равен 6 Кл. Какой ток покажет амперметр?

4. Найти среднюю скорость упорядоченных электронов в однородной металлической проволоке с площадью поперечного сечения 5 мм2 при силе тока 10 А. Концентрация свободных электронов проводимости составляет 5 ∙ 10 22 мм -3 .

Приведенный выше пример соответствует известному всем водителям (и не только) устройству — свинцово-кислотному аккумулятору. Конечно, приведенный выше пример мало совпадает с тем, что на самом деле происходит внутри батареи, но суть нынешнего поколения отражает хорошо. Таким образом, между положительным анодом (мало электронов) и отрицательным катодом (много электронов) создается электрическое поле, которое создает внешнюю силу и генерирует ток в проводнике. Эта сила зависит только от хода химической реакции и практически постоянна до тех пор, пока существуют элементы этой реакции — кислота и оксид свинца. Поэтому, если убрать электрическое поле и соединить проводник с анодом и катодом, электрический ток все равно будет течь, потому что батарея генерирует внешнюю силу. Проводник будет иметь вокруг себя собственное электрическое поле, которое батарея должна преодолеть, чтобы переместить электрон от катода к аноду. В этом заключается суть третьей силы.

Урок 4: Условия существования электрического тока

электроника рисунок 4 1

Доброе утро, дорогие друзья. Без лишних слов, давайте начнем наш сегодняшний разговор. Казалось бы, мы уже давно выяснили причины образования тока в проводнике. Когда мы поместили проводник в поле, электроны начали бегать, и появился ток. Что еще необходимо? Однако, как выяснилось, для того, чтобы этот ток постоянно поддерживался в проводнике, должны быть соблюдены определенные условия. Чтобы лучше понять физику электрического тока в проводнике, давайте воспользуемся примером.

Предположим, у нас есть проводник, который мы помещаем в электрическое поле, как показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 — Проводник в электрическом поле

Обозначим силу на концах проводника через E1и Е2где E1>E2. Как мы уже говорили ранее, свободные электроны в проводнике начнут двигаться в сторону более высокой напряженности поля, то есть к точке А. Однако со временем потенциал, созданный скоплением электронов в точке A, станет таким, что внутреннее электромагнитное поле E0 будут равны по модулю внешнего поля, направления полей противоположны, так как потенциал в точке B более положителен (электроны отсутствуют благодаря внешнему полю).

Поскольку результирующая двух одинаковых противоположных сил равна нулю: |E|+|(E0)|=0, электроны перестают упорядоченно двигаться, электрический ток прекращается. Для того чтобы поток электронов был непрерывным, необходимо: во-первых, приложить дополнительную силу непотенциальной природы, чтобы компенсировать влияние собственного электрического поля проводника; во-вторых, создать замкнутую цепь, поскольку движение электронов может происходить только в проводниках (мы указывали ранее, что диэлектрики, хотя и обладают некоторой электропроводностью, не проводят электрический ток), а для обеспечения постоянства компенсирующей силы необходимо постоянство полей: внешнего и собственного.

Давайте начнем со второго пункта. Рассмотрим проводник, помещенный в поле, как показано на рисунке 4.2. Предположим, что после компенсации взаимодействия внешнего и естественного электромагнитных полей к внешнему полю добавляется еще одно поле. Общее влияние внешнего поля составит 2-|E|. Ток в проводнике будет продолжать течь в том же направлении, но только до тех пор, пока 2-|E|>|E0| после чего электрический ток перестанет течь. Это означает, что для протекания тока в открытом проводнике внешнее воздействие должно постоянно увеличиваться, что невозможно.
Если замкнуть проводник так, что одна его часть окажется вне поля, то за счет работы дополнительной силы вне внешнего поля (эта сила в данном случае не может быть потенциальной, так как работа потенциальной силы в замкнутой цепи равна нулю и не зависит от формы пути) в проводнике возникнет электрический ток, обусловленный только влиянием внешнего поля, так как само поле будет полностью компенсировано. Поэтому любая электрическая цепь всегда должна быть замкнутой.

электроника, рисунок 4 2

Мы можем попытаться объяснить необходимость дополнительной силы следующим образом: если бы мы могли частично перебросить заряды с конца проводника B на конец проводника A, то электрический ток также не прекратился бы. Однако такое «падение» также требует энергии. Поэтому введение дополнительных сил все еще необходимо. Непотенциальные силы также называются внешними силами. А их источниками являются источники тока или генераторы.

Рисунок 4.2 — Возникновение электромагнитного поля в проводнике

электроника, рисунок 4 1

Откуда же берется дополнительная сила, которая к тому же не должна порождаться полем, ведь без нее мы не получим тока? Оказывается, во время химической реакции восстановления-окисления, например, при взаимодействии диоксида свинца с разбавленной серной кислотой, высвобождаются свободные электроны:

Чтобы «притянуть» все электроны, высвободившиеся в ходе реакции, в одну точку пространства, несколько свинцовых решеток, называемых электродами, помещают в раствор серной кислоты. Одна часть электрода сделана из свинца и называется катодом, а другая часть, анод, сделана из диоксида свинца. Катод является источником свободных электродов для внешней цепи, а анод — приемником.

Этот пример соответствует устройству, знакомому всем водителям (и другим людям) — свинцово-кислотному аккумулятору. Конечно, приведенный выше пример не соответствует тому, что происходит внутри батареи в реальности, но суть генерации тока представлена хорошо. Таким образом, между положительным анодом (мало электронов) и отрицательным катодом (много электронов) создается электрическое поле, которое создает внешнюю силу и вызывает ток в проводнике. Эта сила зависит только от хода химической реакции, поэтому она практически постоянна до тех пор, пока существуют элементы этой реакции — кислота и оксид свинца. Поэтому, если мы удалим электрическое поле и соединим проводник с анодом и катодом, электрический ток все равно будет течь, потому что батарея создает внешнюю силу. Проводник будет иметь вокруг себя собственное электрическое поле, которое батарея должна преодолеть, чтобы переместить электрон от катода к аноду. В этом заключается суть третьей силы.

Теперь рассмотрим ситуацию с батареей и подключенным к ней проводником. Электрическое поле совершает положительную работу, перемещая положительный заряд (мы говорим «положительный заряд», потому что направление его движения соответствует направлению тока) в направлении уменьшающегося потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов — на одном полюсе скапливаются положительные заряды, на другом — отрицательные. Напряженность электрического поля у источника направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной по мере его движения от «плюса» к «минусу». Работа внешних сил, с другой стороны, является положительной, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу». Это фундаментальное различие между понятиями разности потенциалов и ЭДС, которое всегда следует иметь в виду.

электроника рисунок 4 3

На рисунке 4.3 показано направление тока I в проводнике, подключенном к батарее — от положительного анода к отрицательному катоду, но внутри батареи внешние силы химической реакции «отбрасывают» электроны, поступающие из внешней цепи от анода к катоду, и положительные ионы от катода к аноду, то есть действуют противоположно направлению протекания тока и направлению поля.

Рисунок 4.3 — Демонстрация внешних сил при возникновении электрического тока

Из вышеприведенного обсуждения можно сделать следующий вывод: силы, действующие на заряд внутри источника тока, отличаются от сил, действующих внутри проводника. Поэтому необходимо различать эти силы. Электродвижущая сила (ЭДС), работа, совершаемая внешними силами для перемещения единичного положительного заряда, была введена для характеристики внешних сил и обозначается латинской буквой &#949 («эпсилон») и измеряется так же, как и разность потенциалов, в вольтах.
Электроника Рисунок 4 2
Поскольку разность потенциалов и ЭДС — это силы разного рода, можно сказать, что ЭДС вне клемм источника равна нулю. Хотя в обычной жизни эти тонкости упускаются из виду, и люди говорят: «Напряжение на батарейке 1,5 В», хотя, строго говоря, напряжение на участке цепи — это суммарная работа электростатических и внешних сил по перемещению одного положительного заряда. Мы столкнемся с этими понятиями в будущем, и они пригодятся нам при расчете сложных электрических цепей.

Я думаю, что это конец урока, потому что это слишком много… Но нужно различать понятия напряжения и ЭДС.

  • Для существования электрического тока необходимы два условия:
    1) замкнутая электрическая цепь;
    2) наличие источника внешних непотенциальных сил.
  • Электродвижущая сила (ЭДС) — это работа, совершаемая внешними силами для перемещения единичного положительного заряда.
  • Источники внешних сил в электрической цепи также называются источниками тока.
  • Положительный полюс батареи называется анодом, а отрицательный — катодом.

На этот раз проблем не возникло, лучше повторите этот урок, чтобы понять всю физику протекания тока в проводнике. Как всегда, вы можете оставить любые вопросы, предложения и пожелания в комментариях ниже! До скорой встречи!

Какова плотность электричества?

Электричество

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, поступает из электросети в виде переменного тока. Он создается генераторами, работающими в соответствии с законом индукции Фарадея, согласно которому изменяющееся магнитное поле может вызвать электрический ток в проводнике.

Генераторы имеют вращающиеся катушки из проволоки, которые при вращении проходят через магнитные поля. При вращении катушки размыкаются и замыкаются против магнитного поля и создают электрический ток, который меняет направление при каждом вращении. Ток проходит полный цикл туда и обратно 60 раз в секунду.

Генераторы могут работать от паровых турбин, работающих на угле, природном газе, нефти или ядерном реакторе. От генератора ток проходит через ряд трансформаторов, где его напряжение увеличивается. Диаметр проводов определяет количество и силу тока, которую они могут выдержать без перегрева или потери мощности, а напряжение ограничивается только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.

Интересно отметить, что ток проходит только по одному проводу, а не по двум. Две его стороны обозначены как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока меняется 60 раз в секунду, у них есть и другие названия — горячий (линии электропередач в сети) и заземленный (проходящий под землей до короткого замыкания).

условия, необходимые для существования электрического тока

Физические аналогии между потоком воды в системе водоснабжения и электричеством: электрические провода и трубопроводы. По проводам бытовых приборов, питающихся от розетки, течет ток — электроны движутся вперед и назад 50 раз в секунду — это называется переменным током. Высокочастотные сигналы внутри электронных устройств также являются электрическим током, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри цепи. Каждый электрический ток своим существованием порождает магнитное поле. Он обязательно присутствует вокруг проводника с током. Нет магнитного поля без тока и нет тока без магнитного поля.

Электричество в различных средах

Мы уже упоминали, что в различных средах электрический ток может меняться в зависимости от природы носителей заряда. Среды можно разделить в зависимости от характера их проводимости (убывающая проводимость):

  1. Проводники (металлы).
  2. Полупроводник (кремний, германий, арсенид галлия и т.д.).
  3. Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).

В металлах

Металлы имеют свободные носители заряда, и их иногда называют «электрическим газом». Откуда берутся бесплатные носители заряда? Дело в том, что металл, как и любое другое вещество, состоит из атомов. Атомы, так или иначе, движутся или вибрируют. Чем выше температура металла, тем сильнее это движение. Таким образом, сами атомы остаются на своих местах, образуя структуру металла.

В электронных оболочках атома обычно находится несколько электронов, связь которых с ядром довольно слабая. Под воздействием температуры, химических реакций и взаимодействия примесей, которые в любом случае находятся в металле, электроны отрываются от своих атомов и образуются положительно заряженные ионы. Отсоединенные электроны называются свободными электронами, и они движутся хаотично.

Если к ним приложить электрическое поле — например, подключить батарею к куску металла — хаотическое движение электронов станет упорядоченным. Электроны будут двигаться от точки, к которой присоединен отрицательный потенциал (например, катод гальванического элемента), к точке с положительным потенциалом.

В полупроводниках

Полупроводники — это материалы, в которых в нормальном состоянии отсутствуют свободные носители заряда. Они находятся в так называемой запретной зоне. Однако, если действуют внешние силы, такие как электрическое поле, тепло, различные излучения (свет, радиация и т.д.), они преодолевают запретную зону и попадают в свободную зону или зону проводимости. Электроны отскакивают от атомов и высвобождаются, образуя ионы — носители положительного заряда.

Положительные носители в полупроводниках называются дырками.

Если просто передать энергию полупроводнику, например, нагреть его, носители заряда начнут двигаться хаотично. Напротив, полупроводниковые элементы, такие как диоды или транзисторы, будут иметь ЭДС на противоположных концах кристалла (с металлизированным слоем и припаянными выводами), но это не относится к теме сегодняшней статьи.

Если к полупроводнику приложить источник ЭДС, носители заряда также войдут в зону проводимости и начнется их направленное движение — дырки будут двигаться в сторону с более низким электрическим потенциалом, а электроны — в сторону с более высоким потенциалом.

В вакууме и в газе

Вакуум — это среда, в которой нет газа или его количество минимально (фактически). Поскольку в вакууме нет вещества, то нет и источника носителей заряда. Однако протекание тока в вакууме дало начало электронике и целой эпохе электронных компонентов — вакуумных трубок. Они использовались в первой половине прошлого века и постепенно начали уступать место транзисторам в 1950-х годах (в зависимости от области электроники).

Предположим, что у нас есть сосуд, из которого удален весь газ, т.е. имеется полный вакуум. В сосуд помещаются два электрода, назовем их анодом и катодом. Если мы соединим отрицательный потенциал источника ЭДС с катодом, а положительный потенциал источника ЭДС с анодом, то ничего не произойдет и ток не потечет. Однако, если мы начнем нагревать катод, потечет ток. Этот процесс называется термоионной эмиссией — испусканием электронов с нагретой поверхности электрона.

На схеме показан процесс протекания тока в вакуумной трубке. В вакуумных трубках катод нагревается нитью накала, изображенной на рисунке (H), как и в лампе накаливания.

Однако если изменить полярность питания — подать минус на анод и плюс на катод — ток не потечет. Таким образом, мы доказываем, что ток в вакууме течет за счет движения электронов от КАТОДА к АНОДУ.

Газ, как и любое вещество, состоит из молекул и атомов, а это значит, что если газ подвергнуть воздействию электрического поля, то при определенной напряженности поля (напряженности ионизации) электроны будут отскакивать от атома, тогда будут выполнены оба условия для протекания электрического тока — поле и свободные носители.

Как уже упоминалось, этот процесс называется ионизацией. Она может возникнуть не только в результате приложенного напряжения, но и при нагревании газа, рентгеновском излучении, воздействии ультрафиолетовых лучей и др.

Ток будет протекать через воздух, даже если между электродами поместить горелку.

Протекание тока в инертных газах сопровождается люминесценцией газа, это явление активно используется в люминесцентных лампах. Протекание электрического тока в газообразной среде называется газовым разрядом.

В жидкости

Предположим, у нас есть сосуд с водой, в который помещены два электрода и к ним подведено питание. Если вода дистиллированная, то есть чистая и без примесей, то она является диэлектриком. Однако если добавить в воду немного соли, серной кислоты или любого другого вещества, образуется электролит, и через него течет ток.

Электролит — это вещество, которое проводит электричество, диссоциируя на ионы.

Если в воду добавить сульфат меди, то на одном из электродов (катоде) отложится слой меди — это называется электролизом, который доказывает, что электрический ток в жидкости осуществляется за счет движения ионов — носителей положительного и отрицательного заряда.

Электролиз — это физико-химический процесс, который включает в себя разделение на электродах компонентов, входящих в состав электролита.

Таким образом, происходит меднение, золочение и покрытие другими металлами.

Сохранить статью?
Услуги электромонтажа в Москве