Физика Электрический ток. Источники электрического тока. Электрическая цепь и ее составные части

Материалы к уроку

Конспект урока

Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Поток воды по трубам, поток людей, выходящих со стадиона после матча – не будет электрическим током, потому что нет заряда. Давайте посмотрим, что собой представляет ток в различных средах. Электрический ток в металлах представляет собой направленное перемещение электронов . Электрический ток в жидкостях (растворах солей, щелочей, кислот) представляет собой  направленное перемещение положительных ионов, которые двигаются к отрицательному полюсу, и отрицательных ионов, движение которых направлено к положительному полюсу. Электрический ток в газах представляет собой направленное перемещение положительных, отрицательных ионов и электронов Более подробно о каждом токе будем говорить позже. Рассмотрим,  какие условия необходимы для существования электрического тока? Для существования тока необходимо: существование электрического поля, наличие электрических зарядов и проводники электрических зарядов. Устройства, необходимые для создания электрического поля в проводниках, называются источниками тока. Рассмотрим несколько источников тока.

Электрофорная машина. При вращении ручки оба  диска из органического стекла натираются, вращаясь в разные стороны. На кондукторах (металлических стержнях с шариками, пропущенных через изолятор внутрь стаканов, оклеенных станиолевой бумагой) накапливаются разноименные заряды. Это устройство преобразует механическую энергию в электрическую, и может называться механическим генератором.
Термогенератор – устройство, преобразующее внутреннюю (тепловую) энергию в электрическую. Оно состоит  из  двух  разнородных проводников. С одного конца оба проводника прочно соединены и можно подогревать на таблетке сухого спирта (можно спичкой), а два других конца соединены с чувствительным гальванометром.

Когда начинаем нагревать, то  стрелка гальванометра отклоняется, фиксируя наличие тока в цепи.
Фотогенератор – устройство, преобразующее световую энергию  в электрическую. Оно состоит из полупроводникового элемента, к которому подключен чувствительный гальванометр. При освещении фотоэлемента внутри полупроводника увеличивается число носителей зарядов, возникает энергетический барьер: электрическое поле заставляет перемещаться заряды по цепи.
Химический генератор – устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую. Это – или один химический гальванический элемент, или батарейка (например, от карманного фонарика: три элемента по 1.5 В=4.5 В), или аккумулятор. В этих устройствах  берутся металлы из разных мест в ряду активности, чтобы они с разной скоростью реагировали или со щелочью, или с кислотой. Опять возникает энергетический барьер: на одном электроде больше электронов, на другом – меньше. Соединенные  электроды с элементами цепи (лампочка, амперметр и выключатель) показывают наличие тока
Давайте рассмотрим, какие элементы можно соединять проводами, чтобы получилась электрическая цепь: гальванический элемент, батарея элементов, лампочка, звонок, плитка, сопротивление, выключатель (или ключ), амперметр и вольтметр.
Чертеж, на котором изображены способы соединения элементов в цепь, называют схемой. Вот так выглядит схема электрического фонарика. А вот так выглядит схема, состоящая из источника, одного звонка и двух (или более)  кнопок, по которым можно независимо  включить звонок, например, в больнице (или в самолете), когда нужно вызвать больному  медицинскую  сестру.
Таким образом, мы рассмотрели, что представляет собой электрический ток, какие имеются источники тока и как на схемах могут соединяться различные элементы электрической цепи.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Электрический ток. Источники электрического тока | 8 класс

Содержание

В рассмотренных нами электрических явлениях мы все время наблюдали перемещение электрических зарядов. Из механики вы знаете, что, если есть какое-то перемещение, то совершается работа.

Какая же работа совершается при движении электрических зарядов? Лампочки в наших домах и квартирах, все электроприборы, которыми мы ежедневно пользуемся — все это и есть следствие совершения электрическим полем работы по перемещению зарядов.

Тут же возникает следующий логичный вопрос. Как же эти заряды перемещаются? Что заставляет их двигаться? Вы все слышали об электрическом токе, но еще не заглядывали внутрь этого явления с помощью инструментов физики.

На данном уроке вы узнаете, что именно называют электрическим током и как его получают.

Электрический ток

Само слово «ток» подразумевает под собой движение.

В некоторых телах (проводниках) есть свободные электроны, которые могут переносить электрический заряд. Этот заряд будет отрицательный, ведь электроны именно таким и обладают.

А есть ли еще какие-то частицы в телах, способные переносить заряд? Оказывается, что есть.

Если обычные атомы электрически нейтральны, то ионы обладают некоторым зарядом. Он может быть как отрицательным, так и положительным. Эти частицы крупнее электронов, но тоже могут переносить электрический заряд.

Значит, электроны или ионы могут как-то перемещаться в проводниках. Отсюда и следует определение электрического тока (рисунок 1).

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

Рисунок 1. Движение заряженных частиц в проводниках

Обратите внимание, что это движение направленное, а не беспорядочное. Когда мы говорим, что по телу идет ток, мы подразумеваем определенное его направление. О том, какое же это направление мы поговорим в отдельном уроке.

{"questions":[{"content":"При явлении электрического тока в проводнике приходят в упорядоченное движение[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["ионы","электроны","протоны","атомы вещества"],"explanations":["","","Протоны являются заряженными частицами, но их отделение от ядер атомов приведет к образованию атомов другого химического элемента, а не появлению электрического тока. ","Обычно атомы электрически нейтральны, а электрический ток обуславливает движение частиц, имеющих некоторый заряд."],"answer":[0,1]}}}]}

Получение электрического тока

Электрический ток не может возникнуть сам по себе. Что же нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле.

При появлении электрического поля, возникнут и электрические силы. Они приведут в движение заряженные частицы. Именно так и возникает электрический ток.

Хорошо, вот создали мы электрическое поле, появился ток. Логично предположить, что если электрическое поле исчезнет, то исчезнет и ток.

Значит, для более длительного существования тока нам необходимо поддерживать постоянное существование электрического поля.

{"questions":[{"content":"Что является необходимым условием возникновения электрического тока в проводнике?[[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["наличие электрического поля","наличие свободных электронов или ионов","высокая температура"],"explanations":["","Их наличие является определяющей характеристикой самих проводников. ","Высокая температура имеет значение для полупроводников (увеличивается их проводимость), но отношения к возникновению тока не имеет."],"answer":[0]}}}]}

Источники электрического тока

Электрическое поле создается и поддерживается источниками электрического тока.

Они могут быть самыми разными. Но объединяет их одно: в них разделяются положительно и отрицательно заряженные частицы.

При таком разделении у источников тока образуются два полюса. На одном скапливаются положительные заряды, а на другом — отрицательные. Создается электрическое поле.

В итоге, один полюс источника тока всегда будет заряжен положительно, а другой — отрицательно.

К этим полюсам с помощью специальных клемм или зажимов и подсоединяется проводник. Под действием электрического поля источника тока свободные заряженные частицы в проводнике приходят в движение. Так и возникает электрический ток.

Используя простой набор предметов, вы можете самостоятельно создать источник электрического тока. Пусть и слабый, но все же. Например, для этого сгодится даже обычный лимон (рисунок 2). 

Рисунок 2. Источник тока из лимона

Для этого нам понадобятся два стержня: железный и медный. Воткнем их в лимон и соединим проводником. В нем возникнет электрический ток.

Это означает, что сок лимона вступает в химические связи с пластинами, провоцируя разделение зарядов. Подключив к этой системе прибор для измерения характеристик тока, мы только удостоверимся, что создали источник тока из подручных материалов.

{"questions":[{"content":"В любом источнике тока[[choice-18]]","widgets":{"choice-18":{"type":"choice","options":["совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц","возникает два полюса","не возникают полюсы","совершается работа по нагреванию подсоединенного проводника"],"explanations":["","Как следствие разделения зарядов.","",""],"answer":[0,1]}}}]}

Превращение механической энергии в электрическую

Чтобы разделить заряженные частицы в приборе, который станет источником тока, нужно совершить какую-то работу. В ходе этой работы происходит превращение какой-то энергии в электрическую энергию.

Но энергия не может возникнуть из ниоткуда. Значит, и сам источник тока требует какой-то энергии.

Например, на гидроэлектростанции происходит превращение механической энергии течения воды в электроэнергию (рисунок 3).

Рисунок 3. Преобразование механической энергии течения воды в электрическую

Строится плотина и водохранилище. Вода из него под действием силы тяжести течет вниз. Тем самым она вращает гидротурбину. К гидротурбине подсоединено такое устройство, как электрогенератор (о нем подробнее в конце урока). От него уже и выходит электрическая энергия. Ток течет по проводам и поступает к нам домой.

Рассмотрим еще один пример, в котором механическая энергия превращается в электрическую.

Так происходит в устройстве, которое называется электрофорной машиной (рисунок 4).

Она состоит из двух пластмассовых дисков 1. Между ними есть небольшое расстояние. Вращая ручку, находящуюся на задней поверхности машины, мы приведем в движение два диска. Они будут вращаться в разные стороны.

Рисунок 4. Электрофорная машина

В результате, они электризуются благодаря трению о ту небольшую воздушную прослойку между ними. Заряды же накапливаются в лейденских банках 2. Оттуда они передаются на кондукторы 3. 

В итоге, на одном кондукторе образуется положительный заряд, а на другом — отрицательный. В какой-то момент при их сближении появляется кратковременный ток в виде электрического разряда, который выглядит как маленькая молния.

Так механическая энергия вращения ручки машины перешла в электрическую.

{"questions":[{"content":"В ходе совершения работы по разделению частиц происходит[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Превращение какой-либо энергии в электрическую","Превращение электрической энергии в какую-либо другую","Передача одного и того же вида энергии от одного тела к другому"],"answer":[0]}}}]}

Превращение внутренней энергии в электрическую

Теперь рассмотрим превращение внутренней энергии в электрическую. Для этого возьмем две проволоки и спаяем их друг с другом. А затем нагреем это место спая (рисунок 5).

Рисунок 5. Превращение внутренней энергии в электрическую

В результате этого нагрева в проволоке возникнет электрический ток. Прибор, соединенный с нашей проволокой называется гальванометром. Принцип его работы мы рассмотрим позже, а пока будем использовать это устройства для определения наличия электрического тока в проводнике. Стрелка отклонилась — ток есть, стрелка осталась на месте — тока нет.

Такой источник тока, состоящий из нагревателя и самого место спая проволок из разных металлов называют термоэлементом.

В термоэлементах внутренняя энергия превращается в электрическую.

{"questions":[{"content":"При использовании термоэлемента происходит превращение энергий: [[fill_choice-7]] энергия переходит в [[fill_choice-10]].","widgets":{"fill_choice-7":{"type":"fill_choice","options":["внутренняя","механическая","энергия сгорания топлива","электрическая"],"answer":0},"fill_choice-10":{"type":"fill_choice","options":["электрическую","внутреннюю","механическую"],"answer":0}}}]}

Превращение энергии излучения в электрическую

Рассмотрим еще одно интересное превращение энергий. Возьмем пластину из кремния (или оксида меди, селена). Направим на нее включенную лампу (рисунок 6).

Рисунок 6. Превращение энергии излучения в электрическую

Опять мы увидим, что по проводнику течет ток. При этом у пластины происходит потеря отрицательного электрического заряда, она теряет электроны.

Так энергия излучения (свет от лампы) переходит в электрическую. Это явление называется фотоэффектом, а такой источник тока — фотоэлементом.

Термоэлементы и фотоэлементы вы более подробно изучите в старших классах. 

{"questions":[{"content":"При фотоэффекте определенные вещества (кремний, оксид меди, селен)[[choice-20]]","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":["Теряют электроны","Обретают электроны","Расщепляются на атомы"],"answer":[0]}}}]}

Гальванический элемент

Одним из самых распространенных источников тока является гальванический элемент. Его же мы и будем использовать в различных опытах. Поэтому мы рассмотрим его более подробно.

Что такое гальванический элемент простыми словами? Это всем нам хорошо известная батарейка.

Заглянем внутрь нее (рисунок 7), чтобы разобраться, как она работает.

Рисунок 7. Гальванический элемент

Этот элемент в своей основе (рисунок 7, б) представляет собой цинковый корпус 2, внутри которого находится угольный стержень 3. На верхнем конце этого стержня находится металлическая крышка 1.

Стержень окружен смесью 4 оксида марганца (IV) $MnO_2$ и измельченного углерода $C$. Между этой смесью и самим корпусом находится желеобразный раствор соли 5 (хлорида аммония $NH_4Cl$).

В чем же суть? Дело в том, что цинк $Zn$, из которого состоит корпус, взаимодействует с хлоридом аммония $NH_4Cl$. Идет химическая реакция. Цинковый сосуд приобретает отрицательный заряд.

А вот оксид марганца имеет положительный заряд. Угольный стержень передает его на металлическую крышку.

Итак, мы имеем отрицательно заряженный корпус и положительно заряженный стержень. Они будут называться электродами. Между ними возникает электрическое поле.

Само понятие электрода синонимично с понятием полюса. «Электрод» больше используется в описании электрических явлений и приборов, а «полюс» чаще применяют, когда говорят о магнитах.

Соединим эти два электрода проводником. По нему потечет электрический ток. Так энергия химических реакций превращается в электрическую.

{"questions":[{"content":"Части гальванического элемента, имеющие противоположные по знаку электрические заряды, называются [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Электродами","Клеммами","Проводниками","Батарейками"],"answer":[0]}}}]}

Аккумулятор

Еще один крайне популярный источник тока — аккумулятор. Он представляет собой ту же батарейку, только теперь ее можно многократно подзаряжать (рисунок 8, а).

Как устроен аккумулятор? Его простейший вариант представляет собой две свинцовые пластины, помещенные в раствор серной кислоты (рисунок 8, б). Пластины будут являться электродами, создающими электрическое поле.

Рисунок 8. Аккумулятор

Но изначально аккумулятор не создает никакого поля. Его нужно зарядить. Для этого берут еще один источник тока, соединяют его с аккумулятором и пропускают через него ток.

Во время такой зарядки внутри аккумулятора начинают происходить химические реакции. Один электрод (пластина) становится положительно заряженной, а другой — отрицательно. 

Теперь аккумулятор сам становится источником тока. Он имеет два полюса, обозначенные плюсом (+) и минусом (-).

Помните, что при зарядке аккумулятора важно соблюдать правильное соединение с другим источником тока. Положительный полюс аккумулятора следует соединять с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным.

Рассмотренный нами аккумулятор называется свинцовым (по материалу пластин) или кислотным (по названию заполняющей его жидкости).  

Наравне с кислотными аккумуляторами широко применяют и щелочные (или никелевые) аккумуляторы. Можно подумать, что в таком устройстве две пластины будут из никеля, но на деле из никеля состоит только одна. Вторая изготавливается из спресованного железного порошка.

Также существуют и другие виды аккумуляторов: литий-ионные, литий-полимерные, гелиевые аккумуляторы, никель-металл-гибридные.

{"questions":[{"content":"Свинцовый аккумулятор имеет в своей основе[[choice-5]]","widgets":{"choice-5":{"type":"choice","options":["Две свинцовые пластины","Раствор серной кислоты","Две никелевые пластины","Щелочной раствор","Чистую воду","Две железные пластины"],"answer":[0,1]}}}]}

Применение аккумуляторов

Применение аккумуляторов настолько широко, что даже сейчас, изучая данный урок, вы используете аккумуляторы. Они есть в наших телефонах, компьютерах, планшетах.

В большинстве видов транспорта также задействованы аккумуляторы. Двигатель машины не заведется, если аккумулятор под капотом будет разряжен. Аккумуляторы приводят в движение и строительную технику, и сельскохозяйственную, и даже самолеты. Современные электромобили в самой своей основе имеют мощный аккумулятор.

Аккумуляторы играют большую роль в аварийных ситуациях: они могут поддержать работу других электрических приборов достаточное время для устранения неполадок.

Типы зарядных устройств

Если аккумуляторы требуют зарядки, значит существуют специальные устройства, с помощью которых это можно осуществить — зарядные устройства.

Они классифицируются по множеству параметров.

По методу заряда:

• С постоянным током
  Обеспечивают быструю зарядку, но способствуют более быстрому изнашиванию аккумуляторов
• С постоянным напряжением
  Более медленная зарядка, но безопаснее для аккумулятора
• Смешанного типа
  Совмещают в себе два вышеприведенных вида, поэтому являются наилучшим вариантом. Способны увеличивать емкость аккумулятора и увеличивать срок его службы

По способу применения:

• Внешние
• Встроенные

В зависимости от совместимости с другим источником энергии:

• Сетевые
  Предназначены для подключения к стандартным сетям 220 В или 380 В, т. е. требуют простого подключения к розетке
• Аккумуляторные
  Имеют собственный накопитель энергии. Используют в качестве резервного накопителя, позволяющего заряжать другие устройства при отсутствии доступа к сети
• Автомобильные
  Подключаются через прикуриватель. С их помощью в машине можно зарядить телефон, фотоаппарат и другую технику
• Беспроводные
  Не требуют кабельного соединения, передает энергию без непосредственного физического контакта аккумулятора и источника
• Универсальные
  Соединяют в себе от нескольких до всех перечисленных видов зарядных устройств

Генераторы

Получить электрический ток можно с помощью специального устройства — генератора.

Генераторы превращают механическую энергию в электрическую, иногда достаточно сложными способами.

Они применяются во всех транспортных средствах для выработки электроэнергии при движении транспорта. Эта энергия идет в том числе и на зарядку аккумулятора.

Генераторы стоят на электростанциях, гидроэлектростанциях, атомных электростанциях генераторы используются для выработки электроэнергии. Существуют даже геотермальные электростанции, на которых установлены генераторы электрического тока. В таких местах насыщенный пар из пробуренной скважины направляется в паровые турбины, соединенные с генераторами. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию, а затем в электрическую.

{"questions":[{"content":"Одна из функций генератора в автомобиле - это[[choice-23]]","widgets":{"choice-23":{"type":"choice","options":["Зарядка аккумулятора","Разрядка аккумулятора","Сообщение аккумулятору дополнительных электронов"],"answer":[0]}}}]}

Напряжение

 — переопределяет ли источник тока правило v=ir?

\$\начало группы\$

Рассмотрим:

Вот у меня две почти одинаковые схемы. Разница лишь в том, что у первого есть источник тока с источником напряжения. Разве ток в верхней цепи не должен быть v/r, или 10 В/1000 Ом = 0,01 А? Почему здесь 5 А?

• напряжение
• ток

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Источник тока можно рассматривать как интеллектуальный источник напряжения. Он создает напряжение на себе, так что в подключенной цепи достигается желаемый ток.

Итак, глядя на вашу схему…

^{смоделируйте эту схему – схема создана с помощью CircuitLab}

Спросите себя, какое напряжение должно быть в точке B , чтобы 5А проходило через R1

Ну, согласно закону Ома, падение напряжения на R1 должно быть 5,000V , поэтому точка B должна быть на 10V — 5,000 = -4,990V .

Итак, источник тока генерирует большое отрицательное напряжение на своей вершине.

Можно посмотреть на это по-другому: чтобы по этой цепи проходил ток 5 А, эквивалентное сопротивление цепи должно быть \$2\Омега\$. Тогда источник тока должен иметь эффективное сопротивление \$-998\Omega\$. Да, это правильно, источник тока в данном случае имеет отрицательное сопротивление.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Нет, напряжение на резисторе равно \$V_R = I\cdot R = 5 \textrm{A} \cdot1\textrm{k} \Omega = 5000\:\textrm{V}\$

Следовательно, напряжение на источнике тока составляет \$10\textrm{V} — 5000\textrm{V} = -4990\textrm{V}\$

Почему? Ну, потому что у вас есть источник тока в вашей цепи.

Источник тока — это элемент схемы, поддерживающий предписанный (установленный) ток (5 А) независимо от напряжения на его клеммах.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Ничто не может «отменить» закон, это то, что делает его законом. В верхней схеме мы знаем, что ток, вызванный источником тока, равен

5A . Это делает падение напряжения на резисторе равным Vr = 5A * 1K = 5000V . Но мы также знаем, что общее напряжение на ответвлении составляет 10 В, вызванное идеальным источником напряжения слева. Это делает падение напряжения на источнике тока равным 10В-5000В = -4990В . Поскольку идеальный источник тока не требует определенного падения напряжения на нем, это отрицательное падение вполне допустимо.

\$\конечная группа\$

9

\$\начало группы\$

Как уже отмечалось, источник постоянного тока обеспечивает постоянный ток, даже если сопротивление нагрузки изменяется, что очень ценно для разработчиков схем.

Например, в приведенной выше схеме нагрузкой может быть резистор или что-то еще. Источник тока подает на него 50 мА независимо от того, изменяется ли сопротивление нагрузки. Таким образом, в вашей проблеме ток 5 А проходит через резистор 1 кОм, и в результате резистор падает на 5000 В.

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите

Зарегистрироваться через Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Что такое источник тока?

`;

Промышленность

Факт проверен

М. Уокер
Дата последнего изменения: 23 октября 2022 г.

Источник тока — это часть оборудования, используемого для получения или получения электрического тока. Это связано с источником напряжения, который является двойным по отношению к источнику тока. Часто источник тока используется для питания различных машин, которые могут получать энергию от производимого электрического тока. Доступен широкий диапазон источников тока, таких как резисторные источники, активные источники, источники радиочастотного (РЧ) тока, а также источники постоянного (DC) и переменного тока (AC). Каждый тип использует свой механизм для генерации и поддержания электрического тока.

Резисторные источники считаются самыми простыми формами источников тока. Они включают в себя цепь, которая содержит резистор, включенный последовательно с источником напряжения. Ток, генерируемый этой системой, эквивалентен амплитуде напряжения, деленной на сопротивление резистора.

Резисторный источник тока, как правило, не считается эффективным сам по себе из-за больших потерь мощности в резисторе, но многие типы источников тока используют элементы этой схемы. Например, активные источники тока часто заменяют резистор другим элементом. В них вместо резистора используются элементы транзисторов или электронных ламп, потому что они могут действовать как источники тока при подаче энергии. Заменив эти детали на резистор, система не будет терять такое же количество энергии.

Источники постоянного и переменного тока часто используются во многих различных процессах, требующих электроэнергии. Постоянный ток — это просто протекание электрического тока в одном направлении, в то время как переменный ток включает в себя переменное направление протекания тока. Переменный ток можно преобразовать в постоянный с помощью выпрямителя, устройства, допускающего только одно направление тока. Такое оборудование, как батареи, солнечные элементы и низковольтные устройства, часто использует источник постоянного тока, в то время как некоторые двигатели и типы освещения используют источник переменного тока.

Источник радиочастотного тока посылает электрические сигналы на частоте радиоволн. Они отличаются от источников постоянного и переменного тока тем, что работают на более низкой частоте и более высоком напряжении. Кроме того, радиочастотный ток обычно проходит по поверхности электрического проводника, а не полностью внутри него, и может проходить через изолирующие элементы.