Условия для существования электрического тока 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей
Введение
Мы изучаем электрический ток. Что нужно для его возникновения? Если в фонарик не вставить батарейку, он не будет работать, ток не потечет. Но и в батарейке, которая лежит на столе, ток тоже не течет. Почему? Разберемся в этом вопросе.
Электрический ток
Что такое электрический ток? В самом термине содержится указание – это течение электричества. Раньше, до открытия элементарных заряженных частиц, электрический заряд считали некой жидкостью, наполняющей заряженные тела. Перемещение этой жидкости и назвали электрическим током.
Сейчас, обладая знаниями о строении вещества, можно сказать, что сравнение оказалось достаточно точным и электрический ток можно действительно сравнить с течением некой жидкости (или более точное сравнение – с газом), только состоящей не из молекул, а из элементарных заряженных частиц.
На прошлом уроке мы разобрали, что такое электрический ток. Сегодня мы рассмотрим природу этого явления более подробно, чтобы понять, почему же оно возникает.
Дадим четкое определение. Мы знаем о носителях заряда, поэтому определим электрический ток как движение заряженных частиц. Вы помните из молекулярно-кинетической теории, что частицы, из которых состоит вещество, в том числе электроны, постоянно пребывают в тепловом хаотическом движении (см. рис. 1), но это не является электрическим током, как и тепловое движение молекул воды не создает течения. Все направления такого движения равновероятны, и суммарное перемещение при этом равно нулю. Течение наблюдается, когда движение направлено. Хаотическое движение при этом не прекращается, но оно складывается с направленным, и суммарное перемещение уже не равно нулю, система частиц в целом движется.
Рис. 1. Хаотическое движение
Поэтому определение тока дадим следующее.
Электрический ток – это направленное движение электрического заряда.
Поскольку заряд не существует отдельно от носителя, ток можно определить как направленное движение заряженных частиц.
Скорость движения частиц
Частица обладает скоростью движения. В механике мы часто раскладывали скорость на составляющие и рассматривали их отдельно. То же можем сделать и сейчас для скоростей теплового направленного движения частицы.
Скорость ее теплового движения обычно составляет порядка сотен метров в секунду, но эта скорость нас сейчас не интересует, нас интересует направленное движение частиц.
Скорость направленного движения электронов в проводнике обычно составляет доли миллиметра в минуту, ее мы еще будем находить в одном из следующих уроков.
Заметьте: это не значит скорость распространения тока (это происходит почти мгновенно), это именно скорость движения частицы. То есть электрический ток возникает практически одновременно во всей цепи. Чтобы было понятно, проведем снова аналогию с током воды по трубе.
Например, есть труба длиной 1 метр. По ней течет вода со скоростью 10 . Суммарное перемещение молекул воды за секунду составит 10 см. Значит ли это, что ток распространится только на 10 см? Нет, вода течет по всей трубе, и любой элементарный объем воды внутри трубы переместится на 10 см (см. рис. 2).
Рис. 2. Перемещение любого объема воды в трубе
Таким образом, вода из одного конца трубы не переместится до второго конца, но течение распространится. Это произойдет потому, что по всему объему трубы по закону Паскаля распространяется давление, вызывающее ток, причем практически мгновенно. Так же в проводнике распространяется электрическое поле.
Носители заряда
Что может являться носителем заряда, образующим ток? Мы знаем два носителя электрического заряда: протон и электрон. Чтобы они могли создавать электрический ток, они также должны быть подвижными. Поэтому, например, в твердых веществах протоны, которые содержатся в ядрах атомов, не могут создавать электрический ток, поскольку атомы зафиксированы на своем месте в структуре вещества (см.
рис. 3).
Рис. 3. Протоны в ядрах атомов твердых веществ
Электроны (это мы изучали на прошлом уроке) в диэлектриках не могут покидать атом, поэтому они тоже зафиксированы, а в проводниках один или несколько электронов в атоме слабо взаимодействуют с ядром и могут покидать атом. Такие электроны называются свободными.
Электрон может покинуть молекулу или атом газа, если сообщить ей достаточную для этого энергию. В этом случае получим свободный отрицательно заряженный электрон, а молекула или атом, потеряв электрон, приобретет положительный заряд и также станет свободным носителем заряда (см. рис. 4).
Рис. 4. Электрон покидает молекулу газа
Молекулы ряда веществ, которые называются электролитами, при растворении в воде распадаются на положительно и отрицательно заряженные части. Эти части называются ионами (см. рис. 5), они являются свободными носителями заряда в растворах электролитов.
Рис. 5.
Свободные носители зарядов в растворах электролитов
Условия существования электрического тока
Рассмотрим протекание электрического тока на примере проводников. Какие условия должны выполняться, чтобы существовал электрический ток? Первое условие очевидно: чтобы существовало движение частиц, для этого нужно, чтобы были свободные частицы, способные передвигаться. В проводниках такими носителями тока являются свободные электроны.
Что заставляет частицу двигаться? Электрический заряд взаимодействует с электрическим полем, и на него действует сила (см. рис. 6). Эта сила и заставит электрон двигаться.
Рис. 6. Действие силы на электрический заряд
Второе условие существования электрического тока – наличие электрического поля в проводнике, которое характеризуется потенциалом в каждой точке или разностью потенциалов между двумя точками.
Достаточно ли этого? Проверим. Предположим, что у нас есть проводник со свободными носителями заряда и в проводнике есть электрическое поле (см.
рис. 7).
Рис. 7. Проводник со свободными зарядами
Свободные электроны будут двигаться в сторону, противоположную вектору напряженности электрического поля, и будут скапливаться у одного из краев проводника, он станет заряжен отрицательно (см. рис. 8).
Рис. 8. Движение электронов в проводнике
У противоположного края при том же количестве атомов электронов будет меньше, поэтому он будет заряжен положительно. Этот процесс подробнее рассмотрен в ответвлении, скопившиеся заряды образуют свое электрическое поле, направленное противоположно внешнему и ослабляющее его. При ослаблении поля уменьшится и сила, которая разносит заряды по краям проводника, пока поля не уравновесятся. Эти процессы протекают быстро, и ток, как видим, быстро исчезает. Для его поддержания нужно, очевидно, чтобы электроны не накапливались на одном из краев проводника, а возвращались на противоположный край, т. е. цепь нужно замкнуть (см. рис. 9).
Рис. 9. Пример замкнутой цепи
Проводник во внешнем электрическом поле
Возьмем твердое тело – проводящую пластину – и поместим ее в однородное электрическое поле.
В первый момент, после внесения пластины в поле, возникнет электрический ток. Свободные носители заряда под действием силы со стороны внешнего электрического поля начнут движение и переместятся в соответствующую сторону проводника. Таким образом, один край пластины окажется заряженным положительно, другой – отрицательно (см. рис. 10).
Рис. 10. Перемещение свободных носителей заряда
Если бы мы разделили пластину на две части в момент, когда она находится в электрическом поле, то обе половинки оказались бы заряженными. Одна – положительно, другая – отрицательно. Эти области скопления зарядов создают свое электрическое поле, которое будет направлено в противоположную от внешнего сторону и будет стремиться скомпенсировать его (см. рис. 11).
Рис. 11. Электрическое поле зарядов
Движение носителей заряда прекратится лишь в тот момент, когда внутреннее и внешнее поле станут равны по модулю напряженности. То есть суммарное поле внутри проводника станет равно нулю:
Таким образом, внутри проводников электрическое поле отсутствует.
На этом факте основана электростатическая защита. Приборы, которые необходимо защитить от электрического поля, помещают в специальные металлические ящики.
Итак, мы разобрали три условия возникновения электрического тока: наличие свободных носителей заряда; электрическое поле, которое будет вызывать движение заряженных частиц, и замкнутая цепь.
На следующих уроках мы продолжим изучение электрического тока. А сегодняшний урок окончен, спасибо за внимание!
Список литературы
- Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Касьянов В. А. Физика. 10 кл.: Профильный уровень. 13-е издание. – М.: 2013 – 432 с.
- Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика: 10 кл., учебник для общеобразовательных учреждений, базовый и профильный уровни. – 19-е изд.– М.: «Просвещение», 2010.
- Интернет-портал «examen.
ru» (Источник) - Портал Естественных Наук (Источник)
- Интернет-портал «tel-spb.ru» (Источник)
ru» (Источник)
Домашнее задание
- Что такое электрический ток?
- Какие условия существования электрического тока?
Электрический ток. Теория
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.
На рисунке показано, что вектор силы F— = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора
Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:
I = Q/t.
Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения
j = I/S
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 = φ1 — φ2
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
I = U/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.
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.
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!
что такое электричество — новейшая открытая технология Seeed
Электричество — это физическое явление, создаваемое статическими или движущимися электрическими зарядами.
Ref: молния В реальной жизни механизм электричества дает много известных эффектов, таких как молния, трибоэлектричество, электростатическая индукция, электромагнитная индукция и так далее.
Несколько понятий об электричестве
Ссылка: атомЭлектрон: В атоме отрицательно заряженная среда, окружающая ядро, представляет собой называется электроном.
Электрический заряд: Это количество электронной нагрузки, источник электрического поля. Когда положительный заряд совершает чистое движение, он образует ток в направлении своего движения.
Электрический поле: Область вокруг положительного или отрицательного заряд, вырабатывающий электричество. Направление электрического поля меняется от высокого потенциала к низкому потенциалу.
Напряжение: Это своего рода потенциальная энергия, которая стремится сделать электроны текут по проводу. Если вы должны воздействовать на электрическое поле, чтобы двигаться заряд из одной точки в другую, говорят, что есть напряжение (потенциальная разница) между двумя точками.
Электрический ток: Направленное движение электрического заряда образует электрический ток, обычно измеряемый в амперах (Ampere).
Любая заряженная частица в движении может образовывать электрический ток.
Происхождение электричества
В 1767: Джозеф Пристли провел эксперимент и обнаружил что внутри заряженного металлического сосуда электрическая сила равна нулю. По результатам этого эксперимента он точно догадался, что притяжение и гравитация заряженных тел, действующих друг на друга, подчиняются одному и тому же закону. В В 1785 году Чарльз Кулон использовал крутильные весы для проверки гипотезы Пристли. что сила, с которой два заряженных тела действуют друг на друга, обратно пропорциональна пропорциональна квадрату расстояния. Он сформулировал основной закон статическое электричество, а именно Закон Кулона . На данный момент изучение электричества стало своего рода точной наукой.
В
1820: Ханс Остер неожиданно обнаружен во время
поэкспериментируйте в классе, что течение может отклонить направление компаса,
демонстрируя, что вокруг тока создается магнитное поле, которое Гальваномагнитный эффект .
В 1820 ： Андре Мари Ампер дал количественное описание гальваномагнитного эффекта и дал Закон Ампера и Закон Ампера . Результаты исследования двое из них успешно соединили электрические и магнитные явления вместе, под общим названием «электромагнитное явление».
В 1831: Майкл Фарадей и Джозеф Генри независимо обнаружил электромагнитную индукцию — изменения в магнитных полях могут генерировать электрические поля.
В 1865: Джеймс Максвелл интегрировал электромагнетизм, предложил уравнений Максвелла и вывел уравнение электромагнитной волны.
В девятнадцатом и двадцатом веках бурно развивалось электричество. До настоящего времени теоретическая система электромагнетизм стремится к совершенству.
В
1859: 90 010 Немецкий физик Юлиус Плюк применил
высокое напряжение между электродами на обоих концах вакуумной трубки, чтобы создать
электронно-лучевая.
В 1897: 90 010 Джозеф Томсон провел эксперименты, чтобы доказать, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, называемых электронами, так он открыл электроны.
В 1905 году: Альберт Эйнштейн опубликовал статью, объясняющую многие экспериментальные данные фотоэлектрического эффекта. Эйнштейн утверждал, что луч света состоит из группы дискретных квантов (теперь называемых фотонами), а не из непрерывных флуктуаций. Если частота фотона больше определенной предельной частоты, у фотона достаточно энергии, чтобы заставить электроны на поверхности металла уйти, вызывая фотоэлектрический эффект.
Переменный ток (AC)
Переменный ток относится к току, направление которого периодически меняется со временем, а средний ток за один цикл равен нулю. В отличие от постоянного тока его направление меняется во времени, в то время как постоянный ток периодически не меняется. Обычно переменный ток (сокращенно AC) имеет синусоидальную форму волны.
Переменный ток может эффективно передавать мощность. Но на самом деле существуют и другие формы волн, например, треугольные волны и прямоугольные волны. Сетевое электричество, используемое в повседневной жизни, представляет собой переменный ток с синусоидальной формой волны.
Постоянный ток (DC)
Постоянный ток представляет собой электрический заряд, обычно электроны, текущие в одном направлении. Плотность тока изменяется с время, но направление движения обычно всегда одно и то же. Как прилагательное, постоянный ток можно использовать в качестве опорного напряжения (его полярность никогда не изменится). изменять).
В цепи постоянного тока электроны образуются из катода, отрицательного электрода и отрицательного магнитного полюса, и двигаться к анод, положительный электрод и положительный магнитный полюс.
Постоянный ток может генерироваться
электрохимия, фотогальванические элементы или аккумуляторные батареи, или путем ректификации
переменный ток.
Переменный ток можно преобразовать в постоянный
через блок питания, состоящий из преобразователя, выпрямителя (для предотвращения
ток от протекания в противоположном направлении) и фильтр (для устранения
дрожание тока, вытекающего из выпрямителя).
Практически все электронное и компьютерное оборудование требует постоянного тока для работы. Спрос на ток колеблется от близкого к нулю в электронных часах до более 100 ампер, необходимых для усилителей энергии беспроводной связи. Устройства, в которых используются электронные лампы, такие как высокоэнергетические передатчики радио- или телевизионного вещания или дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), требуют от 150 вольт до нескольких тысяч вольт постоянного тока.
Ref: DCВы можете прочитать Что здесь разница между переменным и постоянным током.
Американский ученый Томас Альва Эдисон успешно испытал электрическую лампочку 21 октября 1879 года. Это важная веха в использовании электричества человечеством.
Ref: Электрический свет Сегодня электричество стало современным
необходимость.
Будь то в жизни или в промышленности, вы всегда можете найти его.
В различных электронных устройствах питание постоянного тока широко используемый. В том числе общие печатные платы используют постоянный ток. Сид Fusion является профессиональным производителем печатных плат.
Что такое электрический заряд? (Определение, типы, как это работает)
Электрический заряд генерируется переносом электронов, поэтому, чтобы понять концепцию электрического заряда, мы должны сначала понять электроны.
Электрон e - — субатомная частица с отрицательным зарядом; его заряд также известен как элементарный заряд. Мы используем слово «элементарные» при описании этих частиц, потому что не уверены, состоят ли они из других компонентов. Другими словами, эти субатомные частицы являются мельчайшими известными компонентами материи во Вселенной. Другими элементарными частицами являются протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны (нейтрально заряженные частицы).
Электрический заряд указывает на степень избытка или дефицита электронов в организме.
Положительно и отрицательно заряженные объекты притягиваются друг к другу. | Изображение: Wikimedia Commons2 типа электрического заряда
Существует два типа электрического заряда: положительных и отрицательных электрических зарядов. Если объект заряжен положительно, значит, у него дефицит электронов. Если объект заряжен отрицательно, он имеет избыток электронов. Конечно, объект может быть и нейтрально заряжен, и в этом случае нет ни избытка, ни недостатка электронов. Другими словами, электрически нейтральный объект не имеет заряда.
Дополнительная информация из встроенного технического словаря Что такое ЭМИ (электромагнитный импульс)?
Как работает электрический заряд?
Вы легко можете наблюдать электрические заряды в повседневной жизни. Например, если вы трёте шарик о волосы, он становится отрицательно заряженным (т.
е. имеет избыток электронов), а ваши волосы становятся положительно заряженными (т. е. дефицит электронов). Из-за разницы зарядов — помните, противоположности притягиваются — ваши волосы притягиваются к воздушному шару и начинают подниматься, чтобы дотянуться до него.
Электрический заряд имеет обозначение Q или q и единицу измерения 1 C (один кулон), названную в честь французского натуралиста Шарля Огюстена де Кулона (1736-1806). Тело имеет заряд 1 Кл , если в нем имеется избыток электронов 6,24 х 10 18 электронов. Это число электронов, протекающих через поперечное сечение проводника за одну секунду при токе 1 А .
Электрический заряд тел в нашей среде (заряженные сферы, электрический заряд людей) обычно намного меньше одной тысячной кулона.
Соответственно, электрон имеет заряд 1Кл/(6,24⋅10 18 ) = −1,6⋅10 -19 Кл . Этот заряд также называют элементарным зарядом, e .
Больше физики на встроенной платформеПочему квантовые объекты становятся все более странными?
Как измерить и рассчитать электрический заряд
Электрический заряд Q определяется как кратное Н элементарного заряда e :
Q = N * e
Электрон с его электрическим зарядом −1,6⋅10 -19 C имеет в точности элементарный заряд -e , а протон имеет элементарный заряд +e .
Поведение электрически заряженных тел
Существует простая зависимость между зарядом и силой электрического тока. Если через электрический проводник протекает ток постоянной силы, то к заряду, проходящему через поперечное сечение проводника, применяется следующее уравнение:
Q=I⋅t , где I — электрический ток, а t — время.
Это уравнение также приводит к приведенному выше соотношению:
1 Кл = 1 А⋅1 с = 1 As
1 C транспортируется через поперечное сечение проводника. С транспортом электронов передаются и электрические заряды. Это может привести к разделению заряда, разделению заряда или выравниванию заряда.
Электрический заряд в зависимости от электрического тока
Схема, показывающая направление электрического тока, противоположное направлению отрицательного заряда в проводнике. | Изображение: Wikimedia Commons Электрический заряд является основой для генерации электрического тока. Электрический ток, описываемый формулой I , представляет собой направленное движение или поток электрического заряда. Для выработки электроэнергии вам нужны два компонента:
- Вам нужен электрический проводник, который обеспечивает вас свободными носителями заряда и соединяет все компоненты друг с другом (электрическая цепь).
