Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.

В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.

Все, что окружает человека, и он сам — это материальный мир, или материя, которая существует в различных формах. Одна из форм материи, из которой состоят все тела в природе (вода, различные металлы и т. д.), называется веществом.

Вещества, которые невозможно химическим путем разложить на отдельные химические элементы, называются простыми. Вещество, состоящее из нескольких элементов, называется сложным.

Все вещества состоят из мельчайших частиц-молекул, которые в свою очередь образуются из еще более меньших частиц, называемых атомами. В то же время в состав атомов входят другие, еще меньшие частицы, обладающие различными свойствами: ядро и электроны.

При бездействии сил электрического поля электроны в веществах находятся в беспорядочном движении. Происходит это потому, что во многих веществах, главным образом в металлах, электроны недостаточно сильно удерживаются ядром и могут свободно передвигаться от одного атома к другому.

Когда силы электрического поля начинают действовать, движение электронов принимает упорядоченное (направленное) состояние, возникает электрический ток. Отсюда электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электронов.

При упорядоченном движении электроны движутся от того места, где имеется их избыток, туда, где ощущается их недостаток, от минуса к плюсу. Однако исторически в электротехнике условно принято считать, что ток идет от плюса к минусу.

Скорость распределения тока близка к скорости света — 300000 км в секунду. Это не значит, что такой скоростью обладает каждый электрон в отдельности.

Скорость электрона в проводнике составляет лишь доли сантиметра или миллиметра в секунду. Но в результате действия электрического поля ток, возникающий в одном конце провода, мгновенно вызывает прохождение тока по всему проводнику.

Аналогичное явление происходит, например, в трубе, заполненной водой, на одном конце которой находится насос. В момент подачи насосом воды в трубу давление, возникающее в воде, мгновенно передается вдоль трубы от одних частиц к другим. Вода приходит в движение — течет.

Однако частицы воды, добавляемые насосом, дойдут до противоположного конца трубы гораздо позже момента начала вытекания ее из трубы. Численно ток измеряется количеством электрических зарядов, которые проходят через поперечное сечение провода в одну секунду.

Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод

Постоянный ток:

Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током.

Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы.

Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.

Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.

Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой).

Генератор Ван Де Граафа:

Если электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц, то нужно найти ответ на вопрос, что приводит эти частицы в движение.

Причиной возникновения и поддержания электрического тока является электрическое поле. Величина этого поля определяется той работой, которую совершает сила электрического поля, перемещая 1 кулон электричества от одного конца проводника до другого.

Если рассмотреть некоторую замкнутую систему, в которой циркулирует вода, то в этой системе должен быть насос, который сообщает частицам воды энергию и заставляет их двигаться по трубопроводам. Частицы воды в процессе их циркуляции отдают полученную ими энергию (затрачивая ее, например, на преодоление сил трения). Когда же частицы воды вновь возвращаются к насосу, то в отличие от своего исходного состояния они обладают меньшей энергией.

Если уподобить электроны частицам воды, то аналогично можно представить себе процессы, протекающие в электрической цепи. В этом случае водяному насосу будет соответствовать некий «насос для электронов», или источник электрической энергии, а трубопроводам будут соответствовать провода. Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что в электрической цепи электроны не производятся, а просто в каждом проводнике имеются свободные высокоподвижные электроны.

Если на некотором участке цепи носители зарядов получают энергию, то принято говорить, что этот участок цепи — источник, развивающий электродвижущую силу (ЭДС).

Итак, в электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи.

Электродвижущая сила является причиной, приводящей в движение электрические заряды, и определяется энергией, которая затрачивается на перемещение единичного электрического заряда.

В то же время источник энергии, перемещая заряд по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением, совершает работу как на внутреннем участке цепи, так и на внешнем. Следовательно, на этих участках будут возникать напряжения, которые называются падением напряжения на определенном участке.

Поэтому понятие «электродвижущая сила» включает в себя также сумму падений напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи источника электроэнергии.

Напряжение и ток — два электрические явления, взаимосвязанные друг с другом. Ток будет протекать по проводнику лишь при наличии разности потенциалов между концами проводника. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.

Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного.

Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.

Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.

Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля. Смотрите — условия существования электрического тока.

В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение «свободных» электронов, причем электроны движутся в направлении, противоположном условному направлению тока (т. к. за направление тока условно принято направления движения зарядов).

Электрический ток  в газах представляет собой движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) в другом направлении. Наконец, электрический ток в электролитах представляет собой движение существующих в жидкости положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях.

Сила электрического тока — количество электричества, прошедшее через все поперечное сечение тока за 1 сек., зависит, с одной стороны, от количества движущихся зарядов, а с другой — от средней скорости их регулярного движения.

В металлических проводниках количество движущихся зарядов (свободных электронов) чрезвычайно велико (порядка 1023 в 1 см3), но зато средняя скорость регулярного движения очень мала (при самых сильных токах, которые может выдержать проводник, эта средняя скорость имеет величину порядка сантиметра в секунду). Обычно несколько меньше количество движущихся зарядов в жидкостях и соответственно их средние скорости несколько больше.

В газах же вследствие их гораздо меньшей плотности и вследствие того, что только небольшая доля всех молекул газа оказывается ионизированной, количество движущихся зарядов гораздо меньше, но зато средние скорости движения электронов и ионов гораздо больше, чем в металлических проводниках, и достигают сотен и даже тысяч километров в секунду.

Понятие «электрический ток» ввел итальянский физик Алессандро Вольта. Электрический ток, или по его версии «электрический флюид» протекал в замкнутой цепи, соединяющей металлическим проводником крайние кружки вольтова столба.

«Вотльтов столб» (1800 г.) был первый источник электричества неэлектростатического типа (источник постоянного электрического тока), который состоял из чередующихся между собой медных и цинковых кружков, разделенных суконными прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой.

Существование неизменного высокого потенциала на вольтовом столбе было явлением для того времени совершенно новым. Это был первый химический источник электричества, потенциал которого был постоянен во времени и не требовал каких-либо приемов электризации для его возобновления.

Вольтов столб, составленный из большого количества кружков, имел на концах достаточно высокий потенциал, который можно было обнаружить не только измерительными приборами (в частности электроскопом), но и прикоснувшись к крайним кружкам руками. При этом ощущался сильный электрический удар, как от лейденской банки.

Открытие Вольты очень быстро распространилось в физике, стало предметом дальнейших исследований. В 1800 г. ученые-физики с помощью вольтова столба обнаружили электрохимическое действие тока, и в частности разложение под действием тока воды на кислород и водород. Опыты с гальваническими элементами позволили обнаружить, кроме химических, и другие новые свойства тока, в том числе его тепловое и магнитное действие.

Французский физик А. М. Ампер посвятил ряд своих работ изучению связи электрического тока и магнетизма. Он обнаружил, что два проводника с током испытывают взаимное воздействие — притяжение или отталкивание в зависимости от направления в них токов. Своими работами он заложил основы электродинамики.

Он предложил термин «электрический ток» и ввел понятие о его направлении, совпадающем с движением положительного электричества. В честь А. М. Ампера названа единица измерения электрического тока.  Ампер является одной из семи основных единиц системы СИ.

Электрический ток обладает рядом свойств, которые могут быть эффективно использованы во многих практических случаях. К таким свойствам относятся трансформация простыми техническими средствами энергии электрического тока в энергию других видов (тепловую, световую, механическую, химическую) и возможность передачи ее на большие расстояния, быстрота распространения.

Интересные факты:

Куда течет электрический ток

Почему под ЛЭП бьет током

Какой ток опаснее, постоянный или переменный?

Что такое динамо-машина. Первые генераторы постоянного тока

Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Андрей Повный

Источник: http://electrik.info

Поток электрических зарядов в металлическом проводнике

Электричество — это поток электрических зарядов через металл. Все заряды, находящиеся в проводнике, будь то свободные или связанные, считаются покоящимися. Электрический заряд — это свойство материи, благодаря которому она испытывает и производит электрические и магнитные эффекты. Заряды в движении производят электрический ток. Такой ток возникает во многих ситуациях при определенных обстоятельствах. Если к электрическому заряду приложить электрическое поле, на него будет действовать сила. Он будет двигаться, если он свободен, создавая ток. В природе существует два типа зарядов: положительный заряд и отрицательный заряд. Заряды с одинаковым электрическим знаком отталкиваются, а заряды противоположного электрического знака притягиваются. Единицей заряда в СИ является кулон (Кл).

Электрический ток

Предположим, что имеется небольшая область, в которой положительные и отрицательные заряды могут течь в прямом и обратном направлениях. Пусть q ₊ будет чистым количеством положительных зарядов, протекающих в прямом направлении через область, а q _– будет чистым количеством отрицательных зарядов, протекающих в прямом направлении через эту область. Пусть t будет интервалом времени. Общее количество заряда, протекающего через площадь в прямом направлении за данный интервал времени t is, q = q ₊ -q _– . Для постоянного тока q пропорционально t.

I = q/t

где,

• I ток
9 0044 q — значение заряда
• t — затраченное время

Он обозначает ток через область в прямом направлении, а если значение отрицательное, это подразумевает протекание тока в обратном направлении. Когда ток не является постоянным, мы определяем его следующим образом. В течение временного интервала Δt [т.е. между моментами времени t и (t + Δt)] чистое количество заряда, протекающего через проводник, равно ΔQ. Тогда ток через проводник в момент времени t определяется значением отношения ΔQ к Δt в пределе Δt, стремящимся к нулю.

Единицей электрического тока в системе СИ является Ампер, который обозначается буквой А. Ампер определяется как один кулон заряда, проходящий через точку за одну секунду.

Поток электрических зарядов в металлических проводниках

Ток возникает в проводнике благодаря свободному движению в нем электрических зарядов. Электрический заряд испытывает силу, если к нему приложено электрическое поле. Атмосфера также содержит заряженные частицы в верхнем слое (ионосфере). В атоме и положительно заряженные ядра, и отрицательно заряженные электроны связаны друг с другом, поэтому они не могут свободно двигаться. Твердые металлы обычно считаются хорошими проводниками, в этих материалах большинство электронов могут свободно двигаться. В них возникает электрический заряд при приложении электрического поля. В металлических проводниках атомы прочно связаны друг с другом, благодаря чему ток переносится отрицательно заряженными электронами на фоне закрепленных положительных ионов.

Металлы имеют большое количество свободных электронов (примерно 10 ²³ свободных электрона на кубический метр). Ее также называют электронной плотностью металла. Это значение различно для разных металлов. В отсутствие электрического поля электроны в проводнике движутся беспорядочно за счет своей тепловой энергии. Поскольку все электроны движутся в случайных направлениях, результирующая тепловая скорость равна нулю. Таким образом, нет никаких результирующих движений электронов в определенном направлении в отсутствие электрического поля. Поскольку нет особого движения электронов, генерируемый ток равен нулю.

Движение электронов в проводнике

Представьте, что электрическое поле (E) приложено к металлическому проводнику в форме цилиндра радиуса R. Рассмотрим два тонких диска с таким же радиусом, что и цилиндр, и положите положительный заряд +Q рассеялись по одному диску и аналогичным образом поместили отрицательный заряд -Q на другой стороне. Прикрепите диски к двум плоским поверхностям цилиндра. Электрическое поле создается и направлено от положительного заряда к отрицательному. Электроны будут ускоряться в направлении +Q (т. е. в направлении, противоположном направлению приложенного электрического поля) из-за этого поля и будут двигаться, чтобы нейтрализовать эти заряды. Это движение электронов из-за этого поля будет генерировать электрический ток. Следовательно, в проводнике будет ток в течение короткого времени, а после этого тока не будет.

Поток электронов в проводнике

Решенные примеры по потоку заряда

Задача 1. Плотность свободных электронов в медном проводнике оценивается как 8,5 x 10 ²⁸ м ^-3 . Сколько времени требуется электрону, чтобы дрейфовать от одного конца провода длиной 3,0 м до другого конца? Площадь поперечного сечения провода составляет 2,0 x 10 ^-6 м ² и по нему протекает ток 3,0 А.

Решение:

Плотность свободных электронов в медном проводнике, n = 8,5 x 10 ²⁸ м ^-3

Длина медного провода, l = 3,0 м

Площадь поперечного сечения провода, А = 2,0 x 10 ^-6 м ²

Ток, протекающий по проводу, I = 3,0 А, который определяется выражением,

I=нЭВ _d  

Где,

900 02 e = Электрический заряд = 1,6 x 10 ^-19 C

V _d = Скорость дрейфа = Длина проволоки (l) / Время, необходимое для покрытия l(t)

I = nAe(l/t)

t = nAel/I

t = 3 x 8,5 x 10 ²⁸ x 2 x 10 ^-6 x 1,6 x 10 ^{-1 9} / 3,0

т = 2,7 х 10 ⁴ с

Следовательно, время, необходимое электрону, чтобы дрейфовать от одного конца провода к другому, равно 2,7 х 10 ⁴ с.

Задача 2: Между двухточечными зарядами действует сила F. Если между этими зарядами поместить лист металла (ε _r = 8), то какова будет сила?

Решение:

Мы знаем,

F = ( 1/(4 π ϵ ₀ K)) ( |q1| |q2| / r ² ) 

= Ф/К 

= F/6

Задача 3. Заряд 5,60 x 10 ^-3 Кл находится на одном конце 8,37-километрового замка из песка, а неуказанный заряд находится на противоположном конце. Если электрическая потенциальная энергия, связанная с этими зарядами, равна -50,5 Дж, какова величина второго заряда?

Решение: 

PE _{электрический} = -50,5 Дж

q ₂ = 5,60 x 10 ^-3 C 90 003

r = 8,37 км = 8,37 х 10 ³ м

к _c = 8,99 x 10 ⁹ Н·м ² /C ²

Чтобы найти: q1

Уравнение для электрической потенциальной энергии, связанной с парой зарядов.

q ₁   = r PE _{электрический} / k _c q ₂

q ₁ = (8,36 x 10 ³ ) (-50,5) / (8,99 x 10 ⁹ ) (5,60 x 10 ^-3 ) C 900 03

q ₁ = 8,40 x 10 ^-3

Количество второго заряда = 8,40 x 10 ^-3 C.

Задача 4: Провод потенциометра имеет длину 1,5 м и сопротивление 10 Ом. Он включен последовательно с ячейкой с ЭДС 4 В и внутренним сопротивлением 5 Ом. Рассчитайте падение потенциала на сантиметр провода.

Решение:

Дано: L = 1,5 м, R = 10 Ом, E = 4 В, r = 5 Ом.

K = ER/(R + R) L

K = 4 x 10/(10 + 5) 1,5

K = 400/225 В/м

K = 400/22500 В/см = 0,0178 В/ см 

Падение потенциала на сантиметр провода, если 0,0178 В/см.

Часто задаваемые вопросы о зарядке

Вопрос 1: Медь является хорошим проводником электричества. Объяснять.

Ответ:

Медь — это металл, который обеспечивает низкое сопротивление потоку электронов.

Вопрос 2: Как влияет температура на сопротивление чистых металлов?

Ответ:

Сопротивление чистых металлов увеличивается с повышением температуры, а сопротивление уменьшается с понижением температуры.

Вопрос 3: Что такое электрический заряд?

Ответ:

Свойство субатомных частиц, которое заставляет их испытывать силу при помещении в магнитное или электрическое поле, известно как электрический заряд.

Вопрос 4. Содержит ли движущийся заряд электрическое поле?

Ответ:

Движущийся заряд имеет как электрическое, так и магнитное поле. Электрическое поле связано с движущимся зарядом, но одновременно генерируется и магнитное поле. Только движущиеся заряды, находящиеся внутри проводника, могут испытывать эту магнитную силу.

Q2 Отметьте «Верно» или «Неверно» следующие утверждения a Электрический ток может течь через металлы b Инструмент…

Перейти к

• Упражнение

• Еда: откуда она берется?
• Компоненты еды
• Волокно к ткани
• Сортировка материалов по группам
• Разделение веществ
• Изменения вокруг нас
• Знакомство с растениями
• Движения тела
• Живые организмы — характеристики и среда обитания
• Движение и измерение расстояний
• Свет, тени и отражения
• Электричество и схемы
• Веселье с магнитами
• Вода
• Воздух вокруг нас
• Мусор на входе, мусор на выходе

Главная > Образцовые решения NCERT Класс 6 Наука > Глава 12 — Электричество и цепи > Упражнение > Вопрос 2

Вопрос 2. Упражнение

Q2) Отметьте «верно» или «неверно» следующие утверждения:

(a) Электрический ток может проходить через металлы.

(b) Вместо металлической проволоки для создания цепи можно использовать джутовую нить.

(c) Электрический ток может проходить через лист термокол.

Ответ:

Решение:

(а) Верно; Металлы являются хорошими проводниками электричества. Поэтому через них легко может протекать электрический ток.

(б) Ложь; Джутовая нить является плохим проводником электричества, что означает, что она не пропускает электрический ток. Следовательно, его нельзя использовать для создания цепи.

(в) Ложь; Термокол является плохим проводником электричества. Следовательно, через него не может пройти электрический ток.

Связанные вопросы

Q1) Заполните пропуски: (a) Устройство, которое используется для разрыва электрической цепи, называется ______ __….

Q3) Объясните, почему лампочка не будет светиться в устройстве, показанном на рис. 12.13.

Q4) Заполните рисунок, показанный на рис. 12.14, чтобы указать, где должны быть свободные концы двух проводов…

Q5) Какова цель использования электрического выключателя? Назовите какие-нибудь электрические устройства с выключателями…

В6) Загорится ли лампочка после замыкания цепи, показанной на рис. 12.14, если вместо английской булавки…

В7) Будет ли лампочка светиться в цепи, показанной на рис. 12.15?

Было ли это полезно?

Упражнения

Упражнения

Главы

Еда: откуда она берется?

Компоненты пищевых продуктов

Волокно к ткани

Сортировка материалов по группам

Разделение веществ

Изменения вокруг нас

Знакомство с растениями

Движения тела

Живые организмы.