Как двигается ток: Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному? — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком

Структура металлов

На предыдущих уроках мы изучили практически все понятия, связанные с возникновением электрического тока: электрические заряды, электрическое поле, источники тока, простейшие электрические цепи и электрические схемы. Теперь нам предстоит выяснить, как течёт электрический ток в металлах, какие действия оказывает электрический ток, а также направление тока.

Металлы, как мы выяснили из экспериментов на предыдущих уроках, хорошо проводят электрический ток. Для того чтобы пояснить этот факт, зададимся вопросом: а что же такое металлы?

Металлы, как правило, – это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов) (рис. 1-2).


Рис. 1. Металлы (Источник)	Рис. 2. Структура железа (Источник)

Движение электронов в металлах до появления электрического поля

То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.

Как мы уже знаем, вокруг ядра атомов движутся электроны.

Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?

Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день (рис. 3).

Рис. 3. Движение электронов внутри металлического проводника (Источник)

Движение электронов в металлах после появления электрического поля

Всё изменяется, когда внутри металла появляется электрическое поле. Электрическое поле заставляет двигаться заряженные частицы. Ядра атомов остаются на месте, а вот электроны начинают упорядоченно двигаться.

Электрический ток в металлах

Электроны, перескакивая от одного атома к другому, движутся в том направлении, куда им указывает электрическое поле. Это движение и называется электрическим током в металлах.

Мы знаем, что электрический ток – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах в роли движущихся заряженных частиц выступают электроны. В других веществах это могут быть ионы или ионы и электроны.

Движение заряженных частиц (в металлах – электронов) происходит очень медленно (доли миллиметров в секунду). Возникает вопрос: почему же, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно?

Дело в том, что внутри проводников с огромной скоростью (со скоростью света – приблизительно 300 000 километров в секунду) распространяется электрическое поле.

При замыкании цепи поле распространяется практически мгновенно. А уже вслед за полем начинают медленно двигаться электроны, причём сразу по всей цепи. Эту ситуацию можно сравнить с движением воды в водопроводе. Воду заставляет двигаться давление в трубах, которое при открытии крана распространяется практически мгновенно, заставляя «ближайшую» к крану воду выливаться. При этом по трубам движется вся вода под этим самым давлением. Получается, что давление – это аналог электрического поля, а вода – аналог электронов. Как только прекращается действие электрического поля, сразу прекращается упорядоченное движение электрических зарядов.

Опыт Рикке

Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны? Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке (рис. 4) тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.

Рис. 4. Карл Виктор Рикке (Источник)

Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.

За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.

Действия тока

Поговорим теперь о том, какое действие оказывает электрический ток. За счёт чего он получил такое широкое применение в быту и технике?

Можно выделить три основных действия электрического тока:

1. Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример – некоторые бытовые обогреватели (рис. 5).

Рис. 5. Электрообогреватель (Источник)

2. Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий (рис. 6).

Рис. 6. Электролизный цех алюминиевого завода (Источник)

3. Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.

Направление тока

Теперь поговорим о направлении электрического тока

За направление электрического тока принимается направление движения положительных электрических зарядов.

Но только что мы говорили о том, что ток в металлах создают движущиеся электроны, которые имеют отрицательный заряд. Почему же возникает такое противоречие?

Когда возник вопрос о направлении электрического тока, ещё никто не знал о существовании электронов. Было решено считать, что ток движется в направлении движения положительных зарядов. Прошло время, учёные выяснили, что в металлах, в частности, движутся электроны, но было решено оставить всё в прежнем виде. Это связано с тем, что знак заряда нас практически не интересует, гораздо больше нас интересует само действие тока.

Движение электронов в проводнике противоположно направлению электрического поля (рис. 7).

Рис. 7. Движение электронов в проводнике (Источник)

На этом уроке мы выяснили, как течёт ток в металлах, узнали о действиях электрического тока, а также определили направление тока.

На следующем уроке мы начнём знакомиться с числовыми характеристиками тока.

Список литературы

Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» (Источник)
Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» (Источник)
Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» (Источник)

Домашнее задание

П. 34–36, вопросы 1–4, стр. 81, вопросы 1–7, стр. 83, вопросы 1–3, стр. 84. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

В каких устройствах используется тепловое действие тока? Магнитное действие?
Какие действия тока можно наблюдать, пропуская ток через морскую воду?

«Почему ток в цепи идёт «от плюса к минусу», если носители заряда — электроны — заряжены отрицательно и должны идти «от минуса к плюсу»?» — Яндекс Кью

В какую сторону движется ток

Войдите , пожалуйста.

Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Куда течет ток или где же этот чертов катод? Это возникает от того, что новое понятие не может однозначно зацепиться за уже известные факты в сознании, никак не получается построить новую связь в семантической сети фактов. Все знают, что у диода есть катод и анод.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

Ответы на вопросы «Постоянный электрический ток. § 1. Электрический ток»

Постоянный ток

В какую сторону движутся электроны? В какую сторону диод пропускает ток

В какую сторону движутся электроны?

В какую сторону течет ток?

Направление тока в проводнике, как, откуда и куда течет электрический ток.

Электрический ток

Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному?

Урок 1. Электричество: куда бегут электроны

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: В какую сторону крутится девушка?

Ответы на вопросы «Постоянный электрический ток. § 1. Электрический ток»

Подключим к пальчиковой батарейке светодиод, и если полярность окажется соблюдена правильно, то он засветится. В каком направлении установится ток? В наше время всем известно, что от плюса к минусу. А внутри батарейки, стало быть, от минуса к плюсу — ток ведь в этой замкнутой электрической цепи постоянный. За направление тока в цепи принято считать направление движения положительно заряженных частиц, но ведь в металлах то движутся электроны, а они, мы знаем, заряжены отрицательно.

Давайте разберемся, почему в то время как электроны текут по цепи от минуса к плюсу, все вокруг говорят, что ток идет от плюса к минусу. Для чего такая несуразность? Ответ кроется в истории становления электротехники.

Когда Франклин разрабатывал свою теорию электричества, он рассматривал его движение подобно движению жидкости, которая как-бы перетекает от одного тела к другому.

Где электрической жидкости больше — оттуда она течет в ту сторону, где ее меньше. Франклин поэтому и назвал тела с избытком электрической жидкости условно! Отсюда и пошло представление о движении электрических зарядов.

Положительный заряд перетекает, словно через систему сообщающихся сосудов, от одного заряженного тела к другому. Позже французский исследователь Шарль Дюфе в своих экспериментах с электризацией натиранием установил, что заряжаются не только натираемые тела, но и натирающие, причем при контакте заряды обеих тел нейтрализуется. Получалось, что есть на самом деле два отдельных вида электрического заряда, которые при взаимодействии друг друга нейтрализуют.

Эту теорию двух электричеств развил современник Франклина Роберт Симмер, который на себе убедился в том, что в теории Франклина что-то не до конца правильно.

Шотландский физик Роберт Симмер носил по две пары чулок: утепленные шерстяные и сверху еще вторые шелковые. Когда он снимал с ноги оба чулка сразу, а затем выдергивал один чулок из другого, то наблюдал такую картину: шерстяной и шелковый чулки раздуваются, принимая как бы форму его ноги и резко слипаются друг с другом. При этом чулки из одинакового материла, как шерстяные и шелковые, отталкивались друг от друга. Если же Симмер держал в одной руке два шелковых, а в другой — два шерстяных чулка, то когда он сближал руки, отталкивание чулков из одинакового материала и притяжение чулков из разного материала приводило к интересному взаимодействию между ними: разнородные чулки словно набрасывались друг на друга и сплетались в клубок.

Наблюдения за поведением собственных чулков привели Роберта Симмера к выводу, что в каждом теле имеется не одна, а две электрические жидкости — положительная и отрицательная, которые содержатся в теле в одинаковых количествах.

При натирании двух тел какая-то из них может перейти из одного тела в другое, тогда в одном теле окажется избыток одной из жидкостей, а в другом — ее недостаток. Оба тела станут наэлектризованными противоположными по знаку электричествами. Тем не менее, электростатические явления успешно можно было объяснить как при помощи гипотезы Франклина, так и при помощи гипотезы двух электричеств Симмера. Эти теории некоторое время конкурировали между собой. Когда же в году Алессандро Вольта создал свой вольтов столб, после чего был исследован электролиз, ученые пришли к однозначному выводу, что действительно в растворах и жидкостях движутся два противоположных потока носителей заряда — положительные и отрицательные.

Дуалистическая теория электрического тока, хотя и не была понятна всем, все же восторжествовала. Наконец, в году, выступая перед Парижской академией наук, Ампер предлагает выбрать в качестве основного направления тока одно из направлений движения заряда. Ему было удобно сделать так, поскольку Ампер исследовал взаимодействия токов между собой и токов с магнитами.

И чтобы каждый раз во время сообщения не упоминать, что в двух направлениях по одному проводнику движутся два потока противоположного заряда. Ампер предложил просто принять за направление тока направление движения положительного электричества, и все время говорить о направлении тока, имея ввиду движение положительного заряда. С тех пор предложенное Ампером положение о направлении тока принято повсеместно, и используется до сих пор.

Когда Максвелл разрабатывал свою теорию электромагнетизма, и решил применять правило правого винта для удобства определения направления вектора магнитной индукции, он также придерживался этого положения: направление тока — это направление движения положительного заряда.

Фарадей в свою очередь отмечал, что направление тока условно, это просто удобное средство для ученых, чтобы однозначно определять направление тока. Это просто удобно. И даже после того как Томсон в году открыл электрон, условность направления тока все равно сохранилась.

Даже если в проводнике или в вакууме реально движутся только электроны, все равно за направление тока принимается противоположное направление — от плюса к минусу. Спустя уже более века с момента открытия электрона, несмотря на представления еще Фарадея об ионах, даже с появлением электронных ламп и транзисторов, хотя и появились трудности в описаниях, все равно привычное положение дел сохраняется.

Так просто удобнее оперировать с токами, ориентироваться в их магнитных полях, и никаких реальных трудностей это, похоже, ни у кого не вызывает. Искать в Школе для электрика:.

Постоянный ток

В резиновых перчатках можно! Странно… Играют на электричестве, а убивает почему-то каким-то там током… Откуда в электричестве ток? И что это за ток? Здравствуйте, уважаемые! Давайте разбираться. Ну, во-первых, начнём с того, почему это играть на электричестве в резиновых перчатках всё-таки можно, а, например, в железных или свинцовых — нельзя, хотя металлические прочнее?

Ток — направленное движение заряженных частиц — это мы все (еще раз — не важно каких!) и текут они в сторону «минуса», где их.

В какую сторону движутся электроны? В какую сторону диод пропускает ток

Современной теории об электричестве не под силу рассказать нам, в какую сторону течет ток. Представьте себе простую электронную схему, клемма батарейки — диод — лампочка — клемма батарейки. Я думаю, вряд ли кто-то из Вас видел в живую такую схему. Батарейку как отдельный элемент пока рассматривать не будем. Весь интерес состоит в том, что теперь, если мы установим диод между лампой и АКБ согласно современной физике, то лампочка не загорится, если же вопреки общепринятым законам, то она загорится. Официальная наука утверждает, что движение электронов происходит от минусовой клеммы к плюсовой, чем заморочили головы целых поколений, но против фактов никуда… Таким образом движение происходит от плюса к минусу. Электрон — это отрицательно заряженная частица.

В какую сторону движутся электроны?

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: Работоспособность сайта проверена в браузерах: IE8. При меньших разрешениях возможно появление горизонтальной прокрутки. По всем вопросам обращайтесь к Коту: kot radiokot.

По определению, ток — это упорядоченное направленное движение заряженных частиц.

В какую сторону течет ток?

Форумы paraplan. Федор АвторТемы. В какую сторону движется электрический ток? Набрел на душевный срач в комментах к видосу в ютубе по поводу в какую сторону движется эл. Другие- наоборот.

Направление тока в проводнике, как, откуда и куда течет электрический ток.

Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока. Однонаправленный ток англ. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв англ. На рисунке к этой статье красным цветом изображён график постоянного тока. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию , параллельную горизонтальной оси оси времени.

Answeropedia — это как Википедия, только для вопросов и ответов. Пользователи могут задавать вопросы, отвечать на них и дополнять чужие ответы.

Электрический ток

Войти или зарегистрироваться. Искать только в заголовках Сообщения пользователя: Имена участников разделяйте запятой. Новее чем: Искать только в этой теме Искать только в этом разделе Отображать результаты в виде тем. Быстрый поиск.

Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному?

Электроника для начинающих Электроника для начинающих. Основы электроники. Занимательная электроника для детей и не только! Электроника для детей. Мастерская юного электронщика.

Достоверно известно, что электрический ток — это направленное движение электронов или, в некоторых случаях, положительных или отрицательных ионов. Электричество как таковое также связано с понятием ЭДС, то есть для тока в проводнике нужна разность потенциалов.

Урок 1. Электричество: куда бегут электроны

Обычно считают и рисуют на схемах, что ток в цепи, присоединённой к генератору электрического тока, идёт от анода к катоду, от плюса к минусу. Что такое ток в металле? Поток электронов. А как действуют на электроны силы в электрическом поле? Значит, и электрический ток идёт от катода к аноду. Как оказалось теперь, угадали неправильно. Но положительные заряды в металле — это его ионы.

Электрон в переводе с греческого — янтарь. Еще с давних времен были обнаружены последствия электростатики. Например, если потереть янтарь о какую-либо ткань, то он начнет притягивать легкие кусочки бумаги.

Электрический ток в металлах | ряд напряжений, что собой представляет, таблица

Любой металл, так или иначе, является проводником – это известно из школьного курса физики. Но какие процессы протекают внутри проводника, и чем обусловлено поведение электрического тока в металлах, — именно это мы и рассмотрим в этой статье.

Содержание

1 Что такое проводимость
2 Сопротивление проводника
3 Электрохимический ряд напряжений металлов

Что такое проводимость

Основой любого твердого химического элемента является кристаллическая решетка, состоящая из атомов вещества, вокруг которых вращаются связанные электроны. И, если решетка стабильна, то возникает вопрос: какие частицы создают электрический ток в металлах, а точнее – участвуют в его переносе? Помимо атомов вещества со связанными заряженными частичками, межатомное пространство заполнено и свободными электронами. Именно эти заряженные частицы, при воздействии на них электрического поля, начинают двигаться определенным образом, и обеспечивают тем самым, протекание тока.

Важно, что суммарный заряд всех свободных электронов равен суммарному заряду ионов, которые находятся в узлах решетки, но отличен по знаку (ионы – положительно заряжены, а электроны – отрицательно) – именно поэтому структура и стабильна. Если бы не было этих самых свободных заряженных частиц, то кулоновские силы разорвали бы кристаллическую решетку. Однако электроны уравновешивают действие этих сил, и вся «конструкция» остается в покое.

Чем больше таких свободных частиц присутствуют между атомами, тем сильнее проводимость материала. К примеру, медь проводит ток лучше железа именно из-за того, что в межатомном пространстве меди находится очень много свободных зарядов, способных проводить ток.

Электрический ток движется по проводам со скоростью, приближенной к скорости света, хотя сами свободные заряженные частицы двигаются значительно медленнее, и не покидают пределы проводника. Это означает, что ток в металлических проводниках создается электронами, которые принимают участие в переносе заряда, но не «расходуются» при этом процессе. Таким образом, получается, что электрический ток в металлах представляет собой лишь упорядоченное движение заряженных частиц под действием поля, и не может накапливаться в проводнике.

Сопротивление проводника

Абсолютно любой элемент, каким бы проводимым он ни был, обладает сопротивлением. При воздействии электрического поля на свободные заряженные частицы, они начинают двигаться, условно говоря, от плюса к минусу. В процессе движения, электроны рассеиваются на так называемых неоднородностях решетки: дефектах, примесях и нарушениях строения. Это вызывает нагрев проводника, и характеризуется таким понятием, как сопротивление металлов.

Чем больше электронов теряется по пути от начала проводника до его конца, тем выше сопротивление данного участка проводимости. Помимо физических характеристик самого материала (удельного сопротивления, являющегося справочной величиной), из которого изготовлен проводник, на сопротивление имеют влияние форма, а также площадь сечения проводника.

Если участок проводимости однороден по составу, то его сопротивление можно узнать, применив формулу: R = p*l/S, где p — удельное сопротивление материала, l – длинна проводника, а S – площадь сечения.

Удельное сопротивление основных материалов, используемых в электротехнике, представлено ниже, в сводной таблице электрического сопротивления металлов:

Интересная особенность металлических проводников: при уменьшении температуры, сопротивление материала падает, а при достижении температур порядка нескольких Кельвинов – снижается практически до нуля. На этом эффекте основано явление сверхпроводимости.

Электрохимический ряд напряжений металлов

Помимо сопротивления, металлические проводники имеют такую характеристику как электрохимический потенциал. Если говорить просто, то это значение характеризует сравнительную активность вещества при протекании реакций окисления и восстановления в условиях водного раствора. Электрический ряд напряжений металлов был известен еще средневековым ученым-алхимикам, однако к современному виду его привел Алессандро Вольта в 1793 году. При конструировании своего гальванического столба, он установил соотношение активности известных ему металлов Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au, которое зависит от положения элемента в этом ряду. Чем дальше находятся элементы друг от друга по списку, тем выше будет степень их взаимодействия.

Уже в 1798 году Иоганн Риттер указал на схожесть ряда Вольта с рядом окисления металлов (уменьшение их активности взаимодействия с кислородом). По его гипотезе, в результате протекания химической реакции возникает электричество. А вот его качественные показатели как раз и зависят от того, какие металлы взаимодействуют. Таким образом, был сформирован ряд напряжений, который дополнялся вновь открываемыми химическими элементами:

На практике электрохимический ряд напряжений металлов используется при подборе катода и анода для наиболее эффективного восстановления металла из раствора, или же наоборот – наиболее активного взаимодействия для получения электроэнергии.

Электрический ток в металлах: подробное объяснение (формулы)

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Более подробно об этом читайте далее в нашей статье.

Важно знать

Как известно, электрический ток – это упорядоченный поток носителей электрического заряда. Носители – это заряженные частицы, способные свободно перемещаться во всем объеме тела.

В случае металлов этими частицами являются электроны, которые высвобождаются при образовании связи между атомами металла.

Известно, что металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку (кристалл).

Наконец, кристаллическая решетка металла образована положительными ионами, погруженными в “облако” хаотически движущихся так называемых свободных электронов, также называемых электронами проводимости. В зависимости от валентности атомов металла, один атом может освободить от одного до трех электронов при образовании металлических связей. Число таких высвобожденных электронов непосредственно переводится в число носителей заряда. Это является одним из факторов, влияющих на способность металла проводить электрический ток.

Доказательством того, что ток в металлах вызывается электронами, послужили эксперименты наших отечественных физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмана.

Способность металла проводить электрический ток может быть описана физической величиной, называемой удельным электрическим сопротивлением. Эта физическая величина обозначается греческой буквой ρ (читается как “ро”). Единицей измерения удельного сопротивления является Ом · м, т.е. произведение Ом на метр. Удельное сопротивление – это константа, которая характеризует материал и имеет различные значения для разных материалов. Например, удельное сопротивление меди составляет 1.72*10^-8 Ом · м. Это означает, что электрическое сопротивление медного проводника длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 м равно 1.72*10^-8 Ом . В целом, чем ниже удельное сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток.

В таблице ниже приведены некоторые примеры удельного сопротивления часто используемых металлов.

Металл	Удельное сопротивление (Ом · м)
Серебро	1.59*10^-8
Медь	1.72*10^-8
Алюминий	2.82*10^-8
Вольфрам	5. 6*10^-8
Железо	10*10^-8

Удельное электрическое сопротивление может быть связано с микроскопическими свойствами материала. В частности, он зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности.

Движение свободных электронов в металлах не является полностью “свободным”, поскольку во время их движении они взаимодействуют с другими электронами, и прежде всего с ионами кристаллической решетки. Специфика этого движения описывается так называемой классической моделью проводимости.

Основные предположения и выводы этой модели представлены в большом упрощении ниже.

Классическая модель проводимости

Без внешнего электрического поля электроны совершают тепловые хаотические движения, сталкиваясь друг с другом, а также сталкиваясь с ионами кристаллической решетки. В результате такого движения среднее положение электронов практически не меняется (см. рис. 1.).

Рис. 1. Пример траектории электрона во время его хаотического теплового движения в металле

Из-за квантовых эффектов, и в частности из-за принципа запрета Паули, который не позволяет всем электронам занимать самое низкое энергетическое состояние, средняя скорость электронов в металлах, связанная с их хаотическим тепловым движением, больше, чем скорость частиц в классическом идеальном газе той же температуры. Она составляет порядка 10 м/с.

Если электрическое напряжение U приложено к концам проводника длиной L в нем появится электрическое поле с напряженностью E = U / L

Под действием этого внешнего поля, согласно второму закону динамики, электроны ускоряются: a = F / m,

где F = e*E – сила, с которой электрическое поле действует на электрон с зарядом e. Таким образом, ускорение электрона составляет: a = e*E / m .

Ускоренное движение электрона длится лишь довольно короткое время, пока он не столкнется с ионом
кристаллической решетки. В результате такого столкновения электрон теряет практически всю свою кинетическую энергию. Однако замедленный электрон не остается в состоянии покоя – он снова ускоряется под действием электрического поля, снова сталкивается с одним из ионов из ионы кристаллической решетки и т.д. Этот эффект добавляет к скорости тепловых движений дополнительную направленную среднюю скорость u, которая из-за отрицательного заряда электрона имеет направление, противоположное напряженности внешнего электрического поля. Эта скорость называется средней скоростью дрейфа (рис. 2).

Рис. 2. Дрейф электрона под действием внешнего электрического поля

В проводнике начинает течь электрический ток с силой тока I (см. рисунок 3).

Рис. 3. Дрейфующие электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки

Предполагая, что движение электрона равномерно ускоряется между столкновениями с ионами решетки, с ускорением a = e*E / m , и предполагая, что в результате столкновения электрон передает всю свою кинетическую энергию кристаллической решетке, мы можем вычислить скорость, которую развивает электрон в своем свободном движении: v = a*τ . В этой формуле τ – средний интервал времени между последующими столкновениями дрейфующего электрона с ионами кристаллической решетки.

Поскольку при равномерно ускоренном движении без начальной скорости средняя скорость является средним арифметическим начальной (равной нулю) и конечной скоростью, то получаем: u = v / 2 = e*E*τ / 2*m .

Из полученной формулы следует, что скорость дрейфа, помимо внешнего электрического поля, определяется средним интервалом времени между столкновениями электронов с ионами решетки. Этот параметр зависит от многих факторов (включая температуру, кристаллическую структуру металла, дефекты кристаллической структуры, примеси) и, как выясняется, существенно влияет на электрическое сопротивление материала.

Средняя дрейфовая скорость электронов составляет порядка 10^-4 м/с. Она очень мала по сравнению со скоростью теплового движения, которая составляет порядка 10⁶ м/с.

Классическая теория проводимости достаточно хорошо описывает явление электропроводности в металлах. Однако эта теория не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость электрического сопротивления от температуры.

Причина упомянутой неудачи классической теории проводимости заключается в том, что она не учитывает влияние ионов решетки на движение электронов между столкновениями. Более близкие к реальности результаты дает квантовая теория проводимости, которая описывает электроны как частицы, подверженные квантовой статистике, движущиеся в периодическом электрическом поле, создаваемом положительными ионами решетки.

Выводы простым языком

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.

« Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика – несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/c), распространяетcя по всей длине проводника. »
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010

Как пример, электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, когда цепь электрической лампы замкнута, электроны в спирали лампы также движутся упорядоченно.

Сравнение электрического тока с потоком воды в водопроводной системе и распространения электрического поля с распространением давления воды поможет нам понять это. Когда вода поднимается в резервуар для воды, давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей системе водоснабжения. Когда мы включаем кран, вода уже находится под давлением и сразу же начинает течь. Но вода, которая была в кране, течет, а вода из башни достигает крана гораздо позже, потому что вода движется с меньшей скоростью, чем распространяется давление.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Движение электронов в постоянном токе

Что такое электрический ток? В учебнике физики есть определение:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля. Частицами могут быть: электроны, протоны, ионы, дырки.

В академических учебниках определение описывается так:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это скорость изменения электрического заряда во времени.

Заряд электронов отрицателен.

протоны — частицы с положительным зарядом;

нейтроны — с нейтральным зарядом.

СИЛА ТОКА – это количество заряженных частиц (электроны, протоны, ионы, дырки), протекающих через поперечное сечение проводника.

Все физические вещества, в том числе металлы состоят из молекул, состоящих из атомов, которые в свою очередь состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. Во время химических реакций электроны переходят от одних атомов к другим, поэтому, атомы одного вещества испытывают недостаток в электронах, а атомы другого вещества имеют их избыток. Это означает, что вещества имеют разноименные заряды. В случае их контакта, электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое. Именно это перемещение электронов и есть ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. Ток, который будет течь, до тех пор, пока заряды этих двух веществ не уравняются. Взамен ушедшего электрона приходит другой. Откуда? От соседнего атома, к нему — от его соседа, так до крайнего, к крайнему — от отрицательного полюса источника тока (например — батарейки). С другого конца проводника электроны уходят на положительный полюс источника тока. Когда все электроны на отрицательном полюсе закончатся, ток прекратится (батарея «села»).

НАПРЯЖЕНИЕ — это характеристика электрического поля и представляет собой разность потенциалов двух точек внутри электрического поля.

Вроде как то не понятно. Проводник – это в простейшем случае — проволока, сделанная из металла (чаще применяется медь и алюминий). Масса электрона равна 9,10938215(45)×10 -31 кг. Если электрон имеет массу, то это означает, что он материален. Но проводник сделан из металла, а металл то, твёрдый, как по нему текут какие то, электроны?

Число электронов в веществе, равное числу протонов лишь обеспечивает его нейтральность, а сам химический элемент определяется количеством протонов и нейтронов исходя из периодического закона Менделеева. Если чисто теоретически отнять от массы любого химического элемента все его электроны, он практически не приблизится к массе ближайшего химического элемента. Слишком большая разница между массами электрона и ядра (масса только 1-го протона примерно в 1836 больше массы электрона). А уменьшение или увеличение числа электронов должно приводить лишь к изменению общего заряда атома. Число электронов у отдельно взятого атома всегда переменно. Они, то покидают его, вследствие теплового движения, то возвращаются обратно, потеряв энергию.

Если электроны движутся направленно, значит, они «покидают» свой атом, а не будет теряться атомарная масса и как следствие, меняться и химический состав проводника? Нет. Химический элемент определяется не атомарной массой, а количеством ПРОТОНОВ в ядре атома, и ничем другим. При этом наличие или отсутствие электронов или нейтронов у атома роли не играет. Добавим — убавим электроны — получим ион, добавим — убавим нейтроны — получим изотоп. При этом химический элемент останется тем же.

С протонами другая история: один протон — это водород, два протона — это гелий, три протона — литий и.т.д (см. таблицу Менделеева). Поэтому, сколько ни пропускай ток через проводник, химический состав его не изменится.

Другое дело электролиты. Здесь как раз ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕНЯЕТСЯ. Из раствора под действием тока выделяются элементы электролита. Когда все выделятся, ток прекратится. Всё потому, что носители заряда в электролитах — ионы.

Бывают химические элементы без электронов:

1. Атомарный космический водород.

2. Газы в верхних слоях атмосферы Земли и других планет с атмосферой.

2. Все вещества в состоянии плазмы.

3. В ускорителях, коллайдерах.

Под действием электрического тока химические вещества (проводники) могут «рассыпаться». Например, плавкий предохранитель. Движущиеся электроны на своем пути расталкивают атомы, если ток сильный — кристаллическая решетка проводника разрушается и проводник расплавляется.

Рассмотрим работу электровакуумных приборов.

Напомню, что во время действия электрического тока в обычном проводнике, электрон, покидая своё место, оставляет там «дырку», которая затем заполняется электроном от другого атома, где в свою очередь так же образуется дырка, в последствии заполняемая другим электроном. Весь процесс движения электронов происходит в одну сторону, а движение «дыр», в противоположную. То есть дырка – явление временное, она заполняется всё равно. Заполнение необходимо для сохранения равновесия заряда в атоме.

А теперь рассмотрим работу электровакуумного прибора. Для примера возьмём простейший диод – кенотрон. Электроны в диоде во время действия электрического тока испускаются катодом в направлении анода. Катод покрыт специальными окислами металлов, которые облегчают выход электронов из катода в вакуум (малая работа выхода). Никакого запаса электронов в этой тоненькой пленке нет. Для обеспечения выхода электронов катод сильно разогревают нитью накала. Со временем раскаленная пленка испаряется, оседает на стенках колбы, и эмиссионная способность катода уменьшается. И такой электронно-вакуумный прибор попросту выкидывают. А если прибор дорогой, его восстанавливают. Для его восстановления колбу распаивают, заменяют катод на новый, после чего колбу обратно запаивают.

Электроны в проводнике двигаются «перенося на себе» электрический ток, а катод пополняется электронами от проводника, подключенного к катоду. На замену электронам, покинувшим катод, приходят электроны от источника тока.

Понятие «скорость движения электрического тока» не существует. Со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), по проводнику распространяется электрическое поле, под действием которого все электроны начинают движение с малой скоростью, которая приблизительно равна 0,007 мм/с, не забывая ещё и хаотически метаться в тепловом движении.

Давайте теперь разберёмся в основных характеристиках тока

Представим картину: У вас имеется стандартная картонная коробка с горячительным напитком на 12 бутылок. А вы пытаетесь засунуть туда ещё бутылку. Предположим вам это удалось, но коробка едва выдержала. Вы засовываете туда ещё одну, и вдруг коробка рвётся и бутылки вываливаются.

Коробку с бутылками можно сравнить с поперечным сечением проводника:

Чем шире коробка (толще провод), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА), она может в себя поместить (обеспечить).

В коробке (в проводнике) можно поместить от одной до 12 бутылок – она не развалится (проводник не сгорит), а большее число бутылок (большую силу тока) она не вмещает (представляет сопротивление).
Если сверху на коробку, мы поставим ещё одну коробку, то на одной единице площади (сечении проводника) мы разместим не 12, а 24 бутылки, ещё одну сверху — 36 бутылок. Одну из коробок (один этаж) можно принять за единицу аналогичную НАПРЯЖЕНИЮ электрического тока.

Чем шире коробка (меньше сопротивление), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА) она может обеспечить.

Увеличив высоту коробок (напряжение), мы можем увеличить общее количество бутылок (МОЩНОСТЬ) без разрушения коробок (проводника).

По нашей аналогии получилось:

Общее количество бутылок это — МОЩНОСТЬ

Количество бутылок в одной коробке (слое) это — СИЛА ТОКА

Количество ящиков в высоту (этажей) это — НАПРЯЖЕНИЕ

Ширина коробки (вместимость) это — СОПРОТИВЛЕНИЕ участка электрической цепи

Путём перечисленных аналогий, мы пришли к «ЗАКОНУ ОМА«, который ещё называется Законом Ома для участка цепи. Изобразим его в виде формулы:

Закон Ома

где I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов), R – сопротивление.

По-простому, это звучит так: Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Кроме того, мы пришли и к «ЗАКОНУ ВАТТА«. Так же изобразим его в виде формулы:

Закон Ватта

где I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов), Р – мощность.

По-простому, это звучит так: Мощность равна произведению силы тока на напряжение.

Сила электрического тока измеряется прибором называемым Амперметром. Как вы догадались, величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Для увеличения диапазона обозначений единицы изменения существуют такие приставки кратности как микро — микроампер (мкА), мили – миллиампер (мА). Другие приставки в повседневном обиходе не используются. Например: Говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в обычной жизни не реальны. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10 -9 Ампер.

Электрическое напряжение (электрический потенциал) измеряется прибором называемым Вольтметром, как вы догадались, напряжение, т. е. разность потенциалов, которая заставляет течь ток, измеряется в Вольтах (В). Так же, как для тока, для увеличения диапазона обозначений, существуют кратные приставки: (микро — микровольт (мкВ), мили – милливольт (мВ), кило – киловольт (кВ), мега – мегавольт (МВ). Напряжение ещё называют ЭДС – электродвижущей силой.

Электрическое сопротивление измеряется прибором называемым Омметром, как вы догадались, единица измерения сопротивления – Ом (Ом). Так же, как для тока и напряжения, существуют приставки кратности: кило – килоом (кОм), мега – мегаом (МОм). Другие значения в обычной жизни не реальны.

Ранее, Вы узнали, что сопротивление проводника напрямую зависит от диаметра проводника. К этому можно добавить, что если к тонкому проводнику приложить большой электрический ток, то он будет не способен его пропустить, из-за чего будет сильно греться и, в конце концов, может расплавиться. На этом принципе основана работа плавких предохранителей.

Атомы любого вещества располагаются на некотором расстоянии друг от друга. В металлах расстояния между атомами настолько малы, что электронные оболочки практически соприкасаются. Это дает возможность электронам свободно блуждать от ядра к ядру, создавая при этом электрический ток, поэтому металлы, а также некоторые другие вещества являются ПРОВОДНИКАМИ электричества. Другие вещества – наоборот, имеют далеко расставленные атомы, электроны, прочно связанные с ядром, которые не могут свободно перемещаться. Такие вещества не являются проводниками и их принято называть ДИЭЛЕКТРИКАМИ, самым известным из которых является резина. Это и есть ответ на вопрос, почему электрические провода делают из металла.

О наличии электрического тока говорят следующие действия или явления, которые его сопровождают:

;1. Проводник, по которому течет ток, может нагреваться;

2. Электрический ток может изменять химический состав проводника;

3. Ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела.

При отделении электронов от ядер освобождается некоторое количество энергии, которое нагревает проводник. «Нагревательную» способность тока принято называть рассеиваемой мощностью и измерять в ваттах. Такой же единицей принято измерять и механическую энергию, преобразованную из электрической энергии.

Опасность электрического тока и другие опасные свойства электричества и техника безопасности

Электрический ток нагревает проводник, по которому течёт. Поэтому:

1. Если бытовая электрическая сеть испытывает перегрузку, изоляция постепенно обугливается и осыпается. Возникает возможность короткого замыкания, которое очень опасно.

2. Электрический ток, протекая по проводам и бытовым приборам, встречает сопротивление, поэтому «выбирает» путь с наименьшим сопротивлением.

3. Если происходит короткое замыкание, сила тока резко возрастает. При этом выделяется большое количество тепла, способное расплавить металл.

4. Короткое замыкание может произойти и из-за влаги. Если в случае с коротким замыканием происходит пожар, то в случае с воздействием влаги на электроприборы в первую очередь страдает человек.

5. Удар электричеством очень опасен, вероятен смертельный исход. При протекании электрического тока через организм человека, сопротивление тканей резко уменьшается. В организме происходят процессы нагревания тканей, разрушения клеток, отмирания нервных окончаний.

Как обезопасить себя от поражения электрическим током

Чтобы обезопасить себя от воздействия электрического тока, используют средства защиты от поражения электрическим током: работают в резиновых перчатках, используют резиновый коврик, разрядные штанги, устройства заземления аппаратуры, рабочих мест. Автоматические выключатели с тепловой защитой и защитой по току, так же являются не плохим средством защиты от поражения током, способным сохранить жизнь человека. Когда я не уверен в отсутствии опасности поражения электрическим током, при выполнении не сложных операций в электрощитовых, блоках аппаратуры, я как правило работаю одной рукой, а другую руку ложу в карман. Тем самым исключается возможность поражения током по пути рука-рука, в случае случайного прикосновения к корпусу щита, или другим массивным заземлённым предметам.

Для тушения пожара, возникшего на электрооборудовании используют только порошковые или углекислотные огнетушители. Порошковые тушат лучше, но после засыпания аппаратуры пылью из огнетушителя, эту аппаратуру не всегда возможно восстановить.

Видео по теме: что такое электрический ток

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Тема: в какую сторону идёт ток в проводах, электрических цепях, схемах.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.

Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.

А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.

Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.

Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.

Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц (электронов и ионов). За направление тока условно принято направление движения положительных зарядов, т.е. от « + » к « — ».

Условия, необходимые для существования электрического тока:

Наличие свободных заряженных частиц;
Наличие электрического поля, действующего на заряженные частицы с силой в определённом направлении;
Наличие замкнутой электрической цепи.

Действия тока:

Тепловое: проводник по которому течет ток нагревается.
Химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника (электролита).
Магнитное: ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Вокруг проводника с током существует магнитное поле.

Электродвижущая сила.

Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.

Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов.

Сторонние силы — любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т.е. кулоновских).

ЭДС – электродвижущая сила – физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда от «+» полюса к «-» полюсу внутри источника тока. Является энергетической характеристикой источника тока.

Основные характеристики электрического тока

Виды соединений источников тока

Шунтирование амперметра.

Важным примером применения последовательного и параллельного соединения проводов являются различные схемы включения электроизмерительных приборов. Допустим, что имеется некоторый амперметр, рассчитанный на максимальный ток I_max, а требуется измерить большую силу тока. В этом случае параллельно к амперметру присоединяют малое сопротивление r, по которому направится большая часть тока. Его называют обычно шунтом. Сопротивление амперметра – R, и пусть R/r=n. Сила тока в цепи, амперметре и в шунте равны соответственно I, I_а и I_ш

Параллельное присоединение шунта к измерительному прибору с целью изменения его чувствительности называют шунтированием. Схема шунтирования амперметра добавочным малым сопротивлением r.

Постоянный ток. Работа и мощность. Закон Джоуля – Ленца.

Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда Dq: A=DqU

Учитывая, что Dq = >2 RDt = Dt

При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую.

Закон Джоуля – Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.

Q = I 2 R t –

закон Джоуля – Ленца.

Закон открыт экспериментально независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Х.Ленцем. Q = А – по закону сохранения энергии.

Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени.

Дополнительные материалы по теме

Конспект урока «Постоянный ток. Формулы и схемы».

Current Flow Обзор: как электричество распространяется по проводам

Хотя электричество стало неотъемлемой частью нашей жизни, и жизнь без него невообразима, некоторые из нас до сих пор не понимают, как все это работает. Эта статья призвана помочь нам понять, как электричество проходит по проводам к нашим домам и предприятиям для потребления.

Открытие электричества сильно повлияло на мир вокруг нас. В настоящее время у нас есть массивные сети и другие источники энергии, которые вырабатывают электроэнергию для потребления в наших домах и офисах. Однако наука, стоящая за производством и тем, как электричество проходит по проводам, остается для многих загадкой.

Электричество — это мощная сила, которая естественным образом существует на этой планете. Все мы время от времени зависим от электричества. Некоторые полагаются на электроэнергию так же, как на воду и еду.

Давайте задумаемся на минуту; На что была бы похожа жизнь, если бы не электричество для питания телефонов, ваших любимых телепередач и видеоигр, среди прочих гаджетов?

Нельзя отрицать, что электричество — это сила, которая позволяет нам наслаждаться жизнью разнообразными способами.

Хорошо, хотя узнать, как работает электричество, было бы здорово, так как у нас будет возможность наслаждаться этим с твердым пониманием.

Кроме того, когда мы поймем некоторые принципы и то, как электричество проходит по проводам, мы устраним многочисленные риски, связанные с электричеством.

Итак, как мы можем определить электричество?

Большинство людей воспринимает электричество как таинственную силу, которая возникает всякий раз, когда мы щелкаем выключателем или подключаем кабели к розетке. Я уверен, что если бы у всех нас была возможность поговорить об электричестве, как мы его воспринимаем, мы бы в конечном итоге получили корзины, полные веселых ответов.

Тем не менее, самое приятное в этом то, что эти корзины раскрывают невероятную силу воображения, которую может постичь наш разум.

Именно благодаря этой прекрасной силе некоторые великие умы смогли открыть электричество с 17 века.

Такие люди, как Уильям Гилберт, Бен Франклин, Алессандро Вольта, Майкл Фарадей и Никола Тесла, среди многих других, являются героями открытия электричества и превращения его в то, что мы имеем сегодня.

Электричеством называется поток электрического заряда в полной цепи. Хотя мы можем рассматривать механику генерации и потока электроэнергии как сложную, основы того, как течет электричество, довольно легко понять.

Поэтому давайте определим некоторые термины, используемые в отношении электричества.

Что такое цепь?

Термин «схема» происходит от слова «круг»; следовательно, мы можем думать об этом как о петле. Цепь представляет собой путь, по которому электричество течет от источника и обратно к источнику.

Говоря о цепях, они могут быть как разомкнутыми, так и замкнутыми.

При обрыве цепи это означает, что где-то в контуре есть разрыв, и электричество не может течь.

При замкнутой цепи круг замыкается; таким образом, электричество может течь. Этот принцип лежит в основе электрических выключателей.

См. также : Почему мой счет за электроэнергию такой высокий?

Что такое электроны?

Атом — это наименьшая составная единица элемента, которая может существовать, но внутри каждого атома есть три частицы. Три частицы включают электроны, протоны и нейтроны.

Электроны несут отрицательный электромагнитный заряд и обладают уникальными характеристиками, поскольку могут перескакивать с одного атома на другой.

Способность электрона отделяться от одного атома и перемещаться к соседнему атому делает его наиболее важной частицей, когда речь идет об электричестве.

Это движение электронов от одного атома к другому создает электрический ток. Последовательный поток электронов в цепи определяет ток в проводе. Посмотрите, как рассчитать потенциальную энергию, чтобы понять электроны и энергию.

Что такое ток?

Электрический ток определяется как поток электронов в цепи. Этот ток возникает в результате непрерывного прыжка отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому. Стандартной единицей измерения электрического тока является Ампер (А).

Электрический ток существует в двух формах: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Физика вокруг этих двух может быть немного сложной, но фундаментальное различие между ними зависит от того, как течет ток.

Тип электрического тока влияет на то, как электричество проходит по проводам. Электрический ток в постоянном токе имеет тенденцию течь в одном направлении, тогда как в переменном токе все наоборот, поскольку он меняет направление.

Что такое напряжение?

Напряжение относится к давлению электронов в цепи. В некоторых случаях напряжение также может называться электродвижущей силой.

Напряжение измеряется в вольтах (В), а обычные электрические цепи, установленные в наших домах и офисах, обычно имеют напряжение 120 или 240 вольт. Большинство осветительных приборов питаются от 120 вольт, в то время как крупные бытовые приборы используют 240 вольт.

Что такое сопротивление?

Что касается электричества, сопротивление представляет собой электрическую величину, которая измеряет сопротивление материала протеканию электрического тока. Сопротивление также влияет на то, как электричество проходит по проводам. Кабель с низким сопротивлением имеет большой поток электронов, а кабель с высоким сопротивлением имеет низкий поток электронов.

Сопротивление измеряется в Омах, и слишком большое сопротивление в цепи может вызвать перегрузку, которая потенциально может привести к пожару. Причина в том, что сопротивление выделяет некоторое количество тепла в цепи. На этом принципе основана работа лампы накаливания.

Теперь, когда мы понимаем некоторые основные термины в области электричества, давайте углубимся в производство электричества, а также попробуем посмотреть, как электричество перемещается на большей глубине.

Как распространяется электричество

Чтобы электричество могло течь в любом материале, этот материал должен быть хорошим проводником электричества. Хорошие проводники легко пропускают электрон из одной точки в другую. Во-вторых, электрические проводники электричества обладают относительно низким сопротивлением электрическому току по сравнению с плохими проводниками (электрическими изоляторами).

Плохие проводники электричества обладают высоким сопротивлением потоку электронов, что препятствует прохождению электрического тока из одной точки в другую.

Электрические провода изготавливаются с использованием электрических проводников и с изоляцией из плохого проводника. В большинстве случаев медь является наиболее используемым металлом в производстве проводов.

Медь имеет наименьшее удельное сопротивление, что делает ее лучшим вариантом, так как она также помогает снизить потери энергии.

Откуда начинается электричество

Важно учитывать, что должен присутствовать генератор общего назначения, чтобы электроны могли течь по проводам цепи. Генератор общего назначения — это, по сути, турбина, которая вращает огромные катушки металлических проводов внутри массивных магнитов.

Еще в 1931 году Майкл Фарадей открыл способ создания электрических зарядов. Когда электрический проводник вращается в магнитном поле, он создает электрические заряды.

Открытие Фарадея до сих пор используется в современных турбинах и генераторах, работающих от воды, пара или ветра. Металлические катушки вращаются вокруг магнитного поля, тем самым запуская поток электронов.

Если мы можем использовать аналогию с водяным насосом, насос не создает воду, а скорее способствует потоку воды. То же самое относится и к генераторам; они не генерируют электричество, но облегчают поток электронов по проводу.

Вращающиеся витки проводов пересекают электромагнитные поля, создавая электрический ток внутри кабеля. Однако вращения могут быть рассчитаны на получение либо переменного, либо постоянного тока.

Также важно отметить, что для некоторых источников электроэнергии могут не требоваться турбины, такие как солнечная панель, которая генерирует постоянный ток.

См. также : Обзор предоплаченной электроэнергии

Как электричество передается по проводам

Как обсуждалось ранее, физически по проводам движется не электричество, а отрицательно заряженные электроны. Эти электроны, перескакивающие с одного атома на другой, не связаны прочно и могут свободно перемещаться. Мы также можем называть их свободными электронами.

Эти свободные электроны часто подпрыгивают и колеблются при комнатной температуре, поскольку температура высока, то есть по сравнению с абсолютным нулем. Сила турбин стремится стабилизировать эти электроны, поскольку они медленно дрейфуют в одном направлении.

Для переменного тока электроны медленно дрейфуют в одном направлении в течение примерно 0,02 секунды, а затем дрейфуют в обратном направлении в течение 0,02 секунды.

Учитывая, что электроны дрейфуют медленно, можно задаться вопросом, как быстро движется электричество? Электрическая энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света, которая составляет 3*108 метров в секунду.

Скорость электричества довольно высока, хотя электроны движутся довольно медленно.

Электрическое поле создает силу, которая заставляет эти электроны дрейфовать медленно. Сила этого электрического поля — это то, что мы называем электродвижущей силой или, предпочтительно, напряжением.

С другой стороны, медленное движение электронов в проводе приводит к возникновению электрического тока. Давайте позаимствуем идею о воде, текущей по трубе, чтобы лучше понять, как электричество проходит по проводам.

Хотя поток воды в трубе не является идеальной аналогией, он поможет создать мысленный образ. В нашей аналогии вода будет представлять электроны, а трубопровод — провод.

Напряжение можно сравнить с давлением воды в трубе, а ток — это количество воды, протекающей по той же трубе.

См. также : Интересные факты об электричестве

Что такое передача?

Что касается того, как электричество проходит по проводам, то передача — это транспортировка электричества от источника к месту потребления. Что касается электрической сети, то это значительная сеть, предназначенная для передачи электроэнергии.

Как правило, электроэнергия от электростанций передается по линиям электропередач на подстанции. С подстанций напряжение понижается и направляется по распределительным линиям в наши дома.

Линии электропередачи питаются электричеством высокого напряжения, так как высокое напряжение минимизирует потери в линии. Около 6% мощности, попадающей в линии электропередач, теряется из-за сопротивления проводов. Важно отметить, что электрические провода также оказывают некоторое сопротивление электрическому току.

Добавление сопротивления в картину четко определяет, как работают вместе передача и напряжение. Закон Ома гласит, что «электрический ток прямо пропорционален напряжению, а ток обратно пропорционален сопротивлению».

После увеличения напряжения увеличивается электрический ток, что минимизирует потери мощности при передаче.

Некоторые факторы, повышающие сопротивление провода, включают:

Температура: чем холоднее провод, тем меньше сопротивление, чем у более теплых проводов.
Площадь поперечного сечения: Толстые провода имеют меньшее сопротивление и наоборот.
Длина провода: более короткие провода будут испытывать меньшее сопротивление, а более длинные провода будут испытывать большее сопротивление.
Материал, используемый для изготовления провода, также определяет сопротивление провода.

См. также : Методы энергосбережения, которые следует учитывать

Заключение о том, как электричество распространяется по проводам

То, как электричество распространяется по проводам, не является магией. Этот процесс также нетруден для понимания, это довольно простая наука. Электрический ток — это просто поток электронов в цепи.

Например, чтобы лампочка загорелась, когда вы нажимаете этот выключатель дома, электричество течет от электростанций по линиям к лампе, а затем, наконец, обратно к источнику питания.

Теперь ты знаешь, как все это работает? Оставьте нам свой комментарий ниже.

Связанные ресурсы

Полный обзор нанокристаллического электричества: что это такое и как оно работает
13 лучших домашних ветряных турбин 2019 года: выработка электроэнергии дома

Green Coast — это сообщество возобновляемых источников энергии, которое занимается исключительно тем, чтобы помочь людям лучше понять технологии возобновляемых источников энергии и окружающую среду.

Электрический ток приводит в движение магнитные вихри (с видео)

На этой иллюстрации показано, как магнитные вихри в марганцевом кремнии образуют правильную решетку.

Авторы и права: Кристиан Пфлейдере, Мюнхенский технологический университет.

Одно из требований, необходимых для того, чтобы не отставать от тенденций в области компьютерных технологий быть еще быстрее, компактнее и энергоэффективнее , заключается в более быстрой записи и обработке данных. В выпуске журнала Science от 17 декабря физики Мюнхенского технического университета (TUM) и Кельнского технического университета сообщают о результатах, которые могут указать путь к решению. Физики ТУМ привели в движение решетку магнитных вихрей в материале, используя электрический ток почти в миллион раз слабее, чем в более ранних исследованиях. Они наблюдали связь между электрическим током и магнитной структурой с помощью измерений на исследовательском источнике нейтронов FRM II в ТУМ в Гархинге.

В то время как Питер Грюнберг и Альберт Ферт были удостоены Нобелевской премии в 2007 году за исследования, которые привели к значительно более быстрому считыванию данных, в последние несколько лет ученые сосредоточились на том, как магнитную информацию можно напрямую записать на носитель с помощью электрического тока. До сих пор проблема такого рода работ заключалась в необходимости чрезвычайно высоких токов, побочные эффекты которых почти невозможно обуздать даже в наноструктурах.

Чуть больше года назад профессор Кристиан Пфлейдерер и его команда на физическом факультете ТУМ открыли совершенно новую магнитную структуру в кристалле марганцево-кремниевого сплава — решетку магнитных вихрей. Эксперименты в Гархинге были вызваны теоретическими прогнозами профессора Ахима Роша из Кёльнского университета и профессора Ремберта Дуйна из Утрехтского университета. Они ожидали новых результатов в области так называемой спинтроники, наноэлектронных элементов, использующих для обработки информации не только электрический заряд электронов, но и их магнитный момент, или спин.

Группа ученых Кристиана Пфлейдерера пропустила электрический ток через марганцевый кремний. Используя нейтроны от FRM II, они смогли наблюдать закрутку в магнитной вихревой решетке, которую изначально не могли объяснить. Более интересной, чем поворот, была недавно обнаруженная магнитная решетка ( Science , Vol. 323, 5916 pp. 915-919, см. ниже).

На следующем этапе Кристиан Пфлейдерер и его команда провели дальнейшие измерения на приборе MIRA источника нейтронов FRM II, пытаясь определить, почему решетка искривляется при подаче тока. Сначала расчеты теоретиков противоречили результатам экспериментов в Гархинге. «Магнитная структура скручивается, потому что направление электрического тока чрезвычайно эффективно отклоняется квантово-механическими эффектами», — объясняет Кристиан Пфлейдерер. Когда электрон пролетает через магнитный вихрь, спин электрона реагирует на вихрь (см. анимацию). Таким образом, электрический ток воздействует на магнитные вихри, которые в конце концов начинают течь.

На этой анимированной иллюстрации электрон (черный шар) летит по решетке магнитных вихрей. Силы, передаваемые при этом, позволяют управлять магнитными конструкциями с помощью относительно малых электрических токов. Авторы и права: профессор А. Рош, Кельнский университет, и В. Шуман, Технический университет Мюнхена.

После дальнейших измерений группа Кристиана Пфлейдерера и Ахима Роша смогла установить, что недавно обнаруженная решетка магнитных вихрей проявляет свойства, которые уже давно представляют интерес для нанотехнологий. Среди прочего, они имеют отношение к разработке новых систем хранения данных. Примечательно, что магнитные вихри очень стабильны и в то же время очень слабо закреплены в материале, так что даже самый слабый электрический ток может привести к движению. Это должно позволить записывать и обрабатывать данные значительно быстрее и эффективнее в будущем.

Подробнее

Магнитный вихревой переключатель ведет к электрическому импульсу Адамс, Р. Георгий, П. Бони, Р. А. Дуайн, К. Эвершор, М. Гарст, А. Рош, Моменты передачи вращения в MnSi при сверхнизких плотностях тока, Science , 330, 6011, 17 декабря 2010 г.

— Решетка Скирмиона в киральном магните; С. Мюльбауэр, Б. Бинц, Ф. Йониц, К. Пфлейдерер, А. Рош, А. Нойбауэр, Р. Георгий, П. Бони, Science, Vol. 323 нет. 5916 стр. 915–919, 13 февраля 2009 г. DOI: 10.1126/science.1166767

Предоставлено Технический университет Мюнхена

Цитата : Электрический ток движет магнитные вихри (с видео) (2010, 17 декабря) получено 3 октября 2022 г. с https://phys.org/news/2010-12-electric-current- Magnetic-vortices-video.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

В каком направлении ДЕЙСТВИТЕЛЬНО течет электричество?

(C)1996 Уильям Бити

Учителей электроники и авторов учебников часто ругают за передавая «ошибку» своим ученикам. Учителя продвигают (неправильно?) представление о том, что электрический ток представляет собой поток положительных частиц в одном направлении, тогда как якобы на самом деле это поток отрицательных электронов, другой способ.

На самом деле, упреки неправы. Они трудятся под заблуждением что «Электричество» состоит из отрицательно заряженных частиц, называемых электроны. Эта фундаментальная ошибка приводит большинство людей к мысли, что электрические токи всегда а. поток отрицательных частиц. Действительно, в некоторых проводниках электрические токи представляют собой поток действительно положительных зарядов, в то время как в других потоки действительно являются отрицательными частицами. А иногда токи оба положительные и отрицательные частицы текут одновременно, но в противоположных направлениях направлений в одном проводнике.

Мы не можем произвольно заявлять, в каком направлении «текут» заряды, поскольку их истинное направление всегда зависит от типа проводящего материала.

Электричество — это больше, чем просто электроны

«Электричество» состоит не из электронов (или, если быть точнее, из электрических Заряд, который иногда называют «количеством электроэнергии», не производится электронов.) На самом деле заряд бывает двух видов: положительные частицы и отрицательный. В повседневном мире электроники эти частицы электроны и протоны, поставляемые атомами в проводниках. Физики могут дополнительно иметь дело с другими заряженными частицами: мюонами, позитронами, антипротоны и т. д. Но «электричество» в обычных электрических устройствах ограничивается положительными протонами и отрицательными электронами.

[ЕЩЕ СТАТЬИ ЗДЕСЬ]

БОЛЬШЕ СТРАНИЦ ЗДЕСЬ:

Потому что отрицательные частицы носят имя, которое звучит как . «электричество», некоторые новички, к сожалению, начинают думать, что электроны ЯВЛЯЮТСЯ электричеством, и они ошибочно начинают воображать, что протоны (имеющие гораздо менее электрическое название?) не являются электрическими. Немного текста и справочники даже прямо заявляют об этом, говоря, что электричество состоит из электронов. Нет, неправильно. На самом деле электроны и протоны несут электрические заряды соответствует силе . Если электроны «электричество», то протоны тоже «электричество».

Теперь все справедливо скажут мне, что протоны внутри проводов не могут течь, в то время как электроны могут. Да, это верно… но верно только для металлы. И это верно только для твердых металлов . И верно только для твердый металлы, которые не движутся. Все металлы состоят из положительно заряженные атомы погружены в море подвижных электронов. Когда электрический ток создается внутри сплошной неподвижной медной проволоки, «электронное море» движется вперед, а протоны внутри положительных атомов меди — нет.

Однако твердые металлы не являются единственными проводниками, и во многих В других веществах положительные атомы *действительно* движутся, и они *действительно* участвуют в электрическом токе. В этих различных проводниках нет ничего экзотического. Они очень распространены, они повсюду вокруг нас; как можно ближе к нам возможно быть.

Неэлектронный поток заряда

Например, если бы вы ткнули пальцами в заднюю часть телевизора в старинном стиле, вы подверглись бы опасному или смертельному поражению электрическим током. шок. Во время вашего болезненного опыта, очевидно, было значительное ток, направленный через ваше тело. Однако нет электронов потекла через ваше тело вообще. Электрические заряды в теле человека полностью состоит из положительно и отрицательно заряженных атомов или «ионов». Во время вашего удара током именно эти заряженные атомы текли по как электрический ток. Ток в твоей плоти был потоком позитива атомы натрия и калия, отрицательный хлор и многие другие сложный положительные и отрицательные молекулы. Во время действия электрического тока положительные атомы текли в одном направлении, в то время как отрицательные атомы одновременно вливались в другую.

Представьте, что потоки похожи на толпы крошечных движущихся точек, причем половина точек движется в одном направлении а половина в другом. Популяции маленьких точек перемещаются через каждый другой без столкновений точек. Положительные атомы ведут себя как текущие протоны, а протоны с присоединенными целыми атомами. Отрицательные атомы ведут себя как электроны, увлекающие за собой целый атом. Некоторые потоки представляют собой отрицательные ионы воды -ОН, а некоторые потоки действительный протоны (хотя мы обычно называем их +H положительными ионами водорода).

Итак, внутри человеческой плоти… в каком направлении тока ДЕЙСТВИТЕЛЬНО идут? Следим ли мы за отрицательными частицами и игнорируем положительные? Или наоборот, вслед за плюсами? есть простой ответь, но сначала…

Батареи — еще один пример неэлектронных или «ионных» проводников. Всякий раз, когда вы подключаете лампочку к батарее, вы формируете полный цепь, а путь протекающего заряда — через внутри батареи, а также через нить накаливания лампочки и соединительные провода. Электролит батареи очень проводящий. Вниз внутри батарея, во влажных химикатах между двумя пластинами, ампер тока фонарика проявляется как поток как положительных, так и отрицательных атомы. Через него проходит мощный поток электрического заряда. батарея, но отдельные электроны вообще не проходят через батарею. Так, за время, пока заряды протекают между двумя пластинами батарея, что такое реальное направление? Не справа налево, не слева правильно, но в обе стороны сразу. Около половины расхода заряда состоит из положительных атомов, а остальная часть состоит из отрицательные атомы текут в обратном направлении. Конечно в (твердом, неподвижном) металле провода снаружи батарея, реальный поток частиц только от отрицательного к положительному. Но внутри влажного электролита батареи поток заряда идет в двух противоположных направлениях. направления одновременно. (И если мы должны построить цепь полностью из шлангов, наполненных соленой водой, без использования металлических проводников, затем все ток будет двунаправленным. )

Двусторонние токи являются общими

Есть много других мест, где такие виды положительного/отрицательного заряда можно найти потоки. В следующем списке устройств и материалов, электрические заряды внутри проводников представляют собой комбинацию подвижный положительный и отрицательный частицы. Во время электрического тока обе разновидности частиц текут друг мимо друга в противоположных направлениях.

ДВУСТОРОННИЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ/ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ МОГУТ СУЩЕСТВОВАТЬ В:

батареи
человеческие тела
все живые организмы
кислоты (в основном поток протонов)
земля
океан
небо (ионосфера)
электролитические конденсаторы
алюминиевые заводы
жидкая ртуть и припой
детекторы дыма на основе ионов
резервуары для гальванических покрытий
протонный проводник топливных элементов и «твердокислотные» мембраны
гели для электрофореза в исследованиях (особенно при тестировании ДНК)
воздухоочистители, дымофильтры, аэроионные потоки
пучки частиц
вертикальное «небесное течение» в атмосфере
газоразрядные, включающие:
- электрические искры
- люминесцентные лампы
- уличные фонари с натриевой и ртутной дугой
- неоновые вывески
- Аврора Земли
- молнии и коронные разряды
- аппараты дуговой сварки
- Счетчики Гейгера
- тиратронные лампы
- выпрямители паров ртути

Этот список не так уж и короток. Я снова спрашиваю вас, каково НАСТОЯЩЕЕ направление электрические токи? Мы не можем решить проблему, умаляя ее или делая вид, что двусторонние токи относятся только к чему-то экзотическому, или делать вид, что это все совершенно отдельно от повседневной жизни. Наш нервная система основана на двунаправленных токах. Мы не смеем думать, что ток в металлической проволоке «настоящий», тогда как токи в человеческой плоти каким-то образом не.

Ну, что такое «текущий»?

Чтобы получить некоторое представление, давайте рассмотрим детали. При попытке разбираться в электрических цепях и электрических измерениях, нам нужен простой способ провести измерения этого важного объекта под названием «Электрический Ток.» Но чтобы измерить токи, не нужно ли нам сначала измерить, как большая часть тока состоит из отрицательных частиц, движущихся в одном направлении, и положительных частиц другой? Да, но нам только нужно это информация, если мы хотим знать все про электро Текущий.

Текущие негативы и позитивы обычно не равны, и скорость позитивов в одном направлении обычно не совпадает со скоростью скорость негативов в другом. Электрический ток может быть сложным!

Тем не менее, есть симпатичный трюк, который мы можем использовать, чтобы избежать необходимости смотреть на частицы вообще. И этот трюк содержит ответ на вопрос.

Электрические токи производят три основных эффекта: магнетизм, нагрев и падение напряжения на резистивных проводниках. Эти три эффекта охватывают почти все, с чем мы сталкиваемся в электронике. И эти три эффекта не заботится о количестве положительных и отрицательных частиц, или об их скорости, их массе, их заряде и т. д. Если сто положительных частицы текут влево в секунду, это дает ровно столько же, сколько магнетизм, нагрев и напряжение как сотня отрицательных частиц, стекающих в право в секунду. (Примечание: это потому, что изменение полярности частицы меняют направление тока, а изменение направления частиц снова меняет направление тока! Два минуса дают плюс. ) Магнетизм, нагрев и падение напряжения вместе представляют почти все функции, которые важно в повседневных электрических схемах. Поэтому, насколько большинство электрических устройств и цепей, не имеет значения, если ток состоит из положительных частиц, идущих в одну сторону, или отрицательных частицы, идущие в другую сторону… или вдвое меньше негативов, идущих в обратном направлении через толпу вдвое меньше положительных.

Проще говоря, ваш амперметр не заботится о направлении или скорость движущихся частиц. Он не может их измерить или даже обнаружить. их. Определение «Ампер» не признает скорость частиц или их направление или их количество.

Итак, чтобы упростить наши измерения и нашу ментальную картину Электрические токи, мы вырезаем неиспользуемые части рисунка. Мы смотрим в Амперах, а не в текущих частицах. Мы сделать отрицательные частицы положительными, затем добавить их ток к любым положительным частицы, летящие вперед. Мы игнорируем их скорость и вместо этого измерять только скорость потока: общий заряд, протекающий в секунду. Мы перестаньте думать о токе как о потоке реальных физических частиц. Вместо этого мы преднамеренно определить «электрический ток» как поток исключительно положительных частиц, движущихся в одном конкретном направлении. Нас не волнует реальная полярность частиц. Нам все равно об их скорости, и нас не волнует их количество. Мы игнорируем оба химические эффекты и эффекты скорости и направления движущиеся частицы. Мы игнорируем столкновения между положительным и отрицательным частицы. Все, о чем мы заботимся, это общий чистый заряд, который проходит через конкретная точка цепи. Реальные обвинения слишком сложны, чтобы иметь дело с. Нас не волнует, состоят ли какие-либо токи внутри вашего тела из полуположительные, полуотрицательные частицы, движущиеся в противоположных направлениях! Дополнительная сложность дает нам очень мало информации пока нас интересуют только падение напряжения, магнитные поля и обогрев.

Поток частиц реален, «Ампер» и «ток» не

Как только мы начинаем игнорировать скорость и направление зарядов, то мы могут легко создавать электрические приборы или «амперметры», которые измеряют Обычный электрический ток с точки зрения магнетизма, который поток заряда создает .

.. или падением напряжения, которое появляется на резистором, либо повышением температуры, создаваемым в калиброванном изделии провода сопротивления. Эти три типа измерителей согласятся, что «ток» есть «ток» независимо от полярности частиц и потоков. Тогда мы сможем использовать эти счетчики везде. Почти в каждой ситуации они расскажет нам все, что мы когда-либо хотели знать о потоках заряженных частицы в любой цепи. Амперметр может быть неуместным, когда используется в экзотическом физическом эксперименте. Это не нарисует правильную картину при конструировании электронных пучков внутри вакуумных трубок или ионных потоков в нервных волокна. Он не может обнаружить настоящую Текущий; вместо этого он измеряет только наши условно определенные простые Текущий. Но больше 99% электроэнергии и электроники, направление частиц не имеет значения, и амперметр показывает нам так называемый «реальный» ток, скрывая истинные потоки частиц.

Или, проще говоря, мы делаем вид, что «электрические токи» всегда состоит из ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ частиц с неизвестной скоростью, так что любой отрицательный токи определены как положительные частицы, текущие назад, а не отрицательные частицы течет вперед.

Две сотни лет сбивающие с толку студентов

Мы создаем некоторые проблемы, выбирая соглашение о положительном заряде. За Например, что произойдет, если мы все потратим много лет на размышления о таких упрощенный «электрический ток?» Можем ли мы в конце концов начать верить, что эта упрощенная концепция положительного электрического тока РЕАЛЬНА? Пока что это не реально, это просто один из способов упростить вещи. есть подлинный разница между упрощенным изображением и реальной частицей течет. Ампер внутри соленой воды и металлов не совсем соответствует визуальное изображение движущихся частиц. Но если мы искренне верим, что амперы реальны, мы можем начать сомневаться в существовании обвинения. Мы могли бы начать рассматривать сам «Электрический ток» как своего рода абстрактная, невидимая, трудновообразимая вещь. Мы можем потерять след фактов, что электрический ток является действительным потоком материи. Мы можем потерять из виду тот факт, что существуют реальные, видимые частицы, движущиеся внутри этой цепи, или что эти частицы имеют реальное среднее скорость, масса и направление.

Поскольку «амперы» невероятно полезны, упрощенная интерпретация Текущего берет верх и становится более реальным, чем реальность. Это позволяет нам понять части физической науки, которые в противном случае могли бы быть слишком сложно представить. Но позволяя положительным зарядам принимать позади, некоторые мучительные вопросы остаются позади, например: «КАК ДЕЛАЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ПОТОК?» (усмехается!)

Влияние поражения электрическим током на организм человека

Шок может вызвать мышечные спазмы
Шок может вызвать остановку сердца
Шок может вызвать ожоги тканей и органов.
Шок может повлиять на нервную систему
Шок может иметь и другие неожиданные последствия.

Шок может вызвать мышечные спазмы

Мышцы стимулируются электричеством. Эффект зависит от силы тока и типа мышц, через которые он проходит.

Мы все чувствовали жужжание или покалывание, которые не вызывают травм. Это эффект силы тока всего 0,25 миллиампер (мА), поступающего в тело.

Когда ток выше 10 мА проходит через мышцы-сгибатели, например, те, что на наших предплечьях, которые смыкают пальцы, он вызывает устойчивое сокращение. Жертва может быть не в состоянии отпустить источник тока, что увеличивает продолжительность контакта и увеличивает тяжесть шока.

Когда ток выше 10 мА проходит через мышцы-разгибатели, он вызывает сильный спазм. Если пораженными мышцами являются разгибатели бедра, которые удлиняют конечности от тела, пострадавшего может отбросить, иногда на много метров!

Мышцы, связки и сухожилия могут порваться в результате внезапного сокращения, вызванного электрическим током. Ткань также может быть сожжена, если шок продолжительный или ток сильный.

Шок может вызвать остановку сердца

Если через сердце проходит ток силой 50 мА, это может вызвать остановку сердца.

Сердце также является мышцей, которая бьется, чтобы перекачивать кровь по телу. Ритм нашего сердцебиения контролируется электрическими импульсами — именно эти импульсы отслеживаются электрокардиограммой. Если ток извне проходит через сердце, он может маскировать эти импульсы и нарушать сердечный ритм. Это нерегулярное сердцебиение называется аритмией и может даже проявляться полной дезорганизацией ритма, известной как фибрилляция желудочков.

Когда возникает фибрилляция желудочков, сердце перестает качать и кровь перестает циркулировать. Жертва быстро теряет сознание и умирает, если с помощью устройства, называемого дефибриллятором, не восстановить здоровое сердцебиение.

Аритмия может возникнуть во время удара током или через несколько часов после поражения электрическим током.

Шок может вызвать ожоги тканей и органов

Когда через тело проходит ток выше 100 мА, он оставляет следы в точках контакта с кожей. Токи выше 10 000 мА (10 А) вызывают серьезные ожоги, которые могут потребовать ампутации пораженной конечности.

Некоторые ожоги легко распознать, потому что они выглядят как ожоги, которые можно получить от контакта с теплом. Другие могут показаться безобидными, но это не так: крошечные обугленные кратеры указывают на наличие гораздо более серьезных внутренних ожогов.

Электрические ожоги часто поражают внутренние органы. Они вызваны теплом, выделяющимся из-за сопротивления тела току, проходящему через него. Внутренние повреждения могут быть гораздо более серьезными, чем предполагают внешние повреждения.

Внутренние ожоги часто имеют серьезные последствия: рубцевание, ампутацию, потерю функции, потерю чувствительности и даже смерть. Например, если разрушено большое количество тканей, большое количество образующихся отходов может вызвать серьезные нарушения кровообращения или почек.

Шок может повлиять на нервную систему

Нервы представляют собой ткань, которая оказывает очень небольшое сопротивление прохождению электрического тока. Когда нервы поражены электрическим током, последствия включают боль, покалывание, онемение, слабость или трудности с движением конечности. Эти эффекты могут исчезнуть со временем или быть постоянными.

Электрическая травма также может повлиять на центральную нервную систему. Когда происходит шок, пострадавший может быть ошеломлен или может испытывать амнезию, судороги или остановку дыхания.

Длительное повреждение нервов и головного мозга будет зависеть от степени повреждений и может развиться в течение нескольких месяцев после шока. Этот тип повреждения также может вызвать психические расстройства.

Шок может иметь и другие неожиданные последствия

Другие расстройства могут появиться через несколько недель или месяцев после шока, в зависимости от того, через какие органы прошел ток. Например, если ток прошел через глаза, со временем может развиться катаракта.

Вернуться к началу страницы.

Вас также могут заинтересовать эти страницы

Что такое поражение электрическим током? (видео)
Как распознать опасные линии
Какие действия опасны вблизи ЛЭП
Что проверить перед выполнением любых работ на открытом воздухе
Что нужно и чего нельзя делать, чтобы избежать поражения электрическим током дома

Течения, волны и приливы | Смитсоновский океан

Даниэль Холл

Отзыв Лорейн Хейлман, Кэти Кирк, Грегори Дусек и Крис Зервас, Центр оперативных океанографических продуктов и услуг NOAA

Содержимое

Глядя на море с суши, может показаться, что океан — застойное место. Но это далеко не так — океан постоянно находится в движении. Вода распространяется по всему земному шару стремительными течениями, волны передают энергию через целые океанские бассейны, а приливы и отливы надежно затапливаются каждый божий день. Но почему это происходит?

Движение океана создается управляющими принципами физики и химии. Трение, сопротивление и плотность — все это играет роль при описании природы волны, движения течения или отлива. Движение океана находится под влиянием привычных нам на Земле явлений, таких как перепады температуры и ветер. Это также требует изменения перспективы, чтобы охватить движение планет, Луны и Солнца. Хотя кажется, что мы живем на стабильной и стационарной планете, на самом деле мы мчимся сквозь пространство вокруг Солнца по орбите и вращаемся вокруг оси. Это планетарное движение сильно влияет на движение океанов.

Хотя океан, каким мы его знаем, существует с самого начала существования человечества, знакомые течения, помогающие стабилизировать наш климат, теперь могут оказаться под угрозой. Изменение климата меняет процессы, которые движут воду по всему земному шару, и если это изменит океанские течения, это, вероятно, приведет к еще большему каскаду изменений.

В Smithsonian Ocean у нас есть планы уроков, мероприятия и ресурсы, которые помогут вам вовлечь ваших учеников в чудеса наших океанов.

Приливы: взлеты и падения Размер и глубина волны

Токи

Большое движение воды в одном общем направлении является течением. Течения могут быть временными или длительными. Они могут быть у поверхности или в глубинах океана. Сильнейшие течения формируют глобальные климатические условия Земли (и даже местные погодные условия), перемещая тепло по всему миру.

Поверхностные течения

Это карта океанских поверхностных течений 1877 года. (Джон Джеймс Уайлд, 1877 г.)

На поверхности течения в основном обусловлены четырьмя факторами: ветром, солнечным излучением, гравитацией и вращением Земли. Все эти факторы взаимосвязаны. Солнечное излучение создает преобладающие ветры, которые заставляют океанские воды собираться в холмы и долины. Гравитация тянет воду от холмов к долинам, а вращение Земли направляет движущуюся воду.

Солнце и ветер

Ветер является основной силой, движущей воду по всему земному шару поверхностными течениями. Когда воздух движется по поверхности океана, он увлекает за собой верхние слои воды за счет трения — силы сопротивления между двумя соприкасающимися материалами, движущимися друг над другом. Поверхностные океанские течения вызываются постоянными ветровыми режимами, которые сохраняются во времени по всему земному шару, например, струйным течением. Эти ветровые узоры (конвекционные ячейки) создаются солнечным излучением, падающим на Землю и выделяющим тепло.

Солнечное излучение сильнее всего на экваторе и рассеивается по мере приближения к полюсам. Это неравномерное распределение тепла заставляет воздух двигаться. Горячий воздух над экватором поднимается и удаляется от экватора. Точно так же холодный воздух с полюсов опускается и движется к экватору. Столкновение горячего воздуха, исходящего с экватора, и холодного воздуха, исходящего с полюсов, создает области высокого атмосферного давления и низкого атмосферного давления вдоль линий определенных широт. Интуитивно понятно, что горячий воздух и холодный воздух встречаются в середине экватора и Северного или Южного полюса, однако на самом деле все гораздо сложнее. Сочетание вращения Земли, того факта, что Земля наклонена относительно своей оси, и размещения большинства континентов в Северном полушарии создают системы давления, которые делят каждое полушарие на три различных направления ветра или ячейки циркуляции.

Основные ветры вызывают океанические течения. (НАСА)

В северном полушарии самая северная система, полярная ячейка, выдувает воздух в постоянном юго-западном направлении в сторону кармана низкого давления вдоль 60-градусной широты. Средняя система, ячейка Феррела, дует в постоянном северо-восточном направлении к тому же 60-градусному минимуму. А самая южная система, ячейка Хэдли, выдувает воздух в постоянном юго-западном направлении в сторону области низкого давления вдоль экватора. Результатом является глобальная картина преобладающего ветра, и именно этот постоянный ветер влияет на океан.

Хотя может показаться, что океан представляет собой плоскую поверхность, реальность такова, что это ряд холмов и долин в воде. В местах, где генерируемые ветром потоки сходятся друг с другом, океанская вода выталкивается, образуя небольшой холм. Точно так же там, где ветры расходятся, океанская вода опускается в небольшую депрессию.

Гравитация и вращение Земли

Ветер толкает воду в холмы высокого давления, которые оставляют после себя долины низкого давления. Поскольку вода — это жидкость, которая предпочитает оставаться на ровной высоте, это создает неустойчивую ситуацию. Под действием силы тяжести океанская вода перемещается из застроенных районов высокого давления вниз в долины низкого давления.

Но когда вода движется с холмов в долины, она движется по кривой траектории, а не по прямой. Это искривление является результатом вращения Земли вокруг своей оси.

На Земле движение по прямой на большие расстояния сложнее, чем может показаться. Это потому, что Земля постоянно вращается, а это означает, что каждый объект на ее поверхности движется со скоростью, с которой Земля вращается вокруг своей оси. С нашей точки зрения, стационарные объекты просто неподвижны. На самом деле они мчатся со скоростью примерно 1000 миль в час (1600 км/ч) на экваторе Земли. Именно это вращательное движение влияет на движение любого объекта, не находящегося в прямом контакте с поверхностью планеты, из-за чего кажущиеся прямыми траектории на самом деле изгибаются. Это также влияет на движение океанских течений. Ученые называют это изгибание эффектом Кориолиса.

НОВА ПБС

Легче всего понять это явление, если подумать о путешествии в северном или южном направлении. Поскольку Земля, по сути, является сферой и вращается вокруг оси, все, что находится вблизи экватора Земли, будет двигаться быстрее всего — поскольку Земля вращается с постоянной скоростью, а экватор проходит вдоль самой широкой части сферы, любой объект должен пройти всю Окружность Земли за один оборот. По мере того как вы все ближе и ближе приближаетесь к полюсам, расстояние, пройденное за один оборот, постепенно сокращается, пока не достигнет нуля на любом из полюсов. Следовательно, объект на поверхности будет постепенно вращаться медленнее по мере приближения к полюсу.

Но покиньте поверхность планеты, и якорь, удерживающий вас в синхронизации с землей под вами, исчезнет. Любой движущийся объект (самолет, лодка, воздушный шар, вода) начнет свое путешествие со скоростью вращения того места, откуда он взлетел. Если он должен двигаться на север или юг, земля под ним будет двигаться с другой скоростью. Путешествуйте на север от экватора, и земля под вами будет постепенно вращаться медленнее. Это приводит к тому, что объект, пытающийся двигаться по прямой линии, отклоняется вправо в северном полушарии и отклоняется влево в южном полушарии относительно направления движения.

Понять, как вращение Земли влияет на движение на запад или восток, немного сложнее. Представьте эластичную нить, прикрепленную к шару на одном конце и точку крепления на другом. Чем быстрее мяч вращается вокруг якоря, тем больше растягивается резинка и тем дальше мяч перемещается от центральной точки. Объект, путешествующий по Земле, ведет себя точно так же. Если объект движется на восток, в направлении, в котором вращается Земля, он теперь движется вокруг оси Земли быстрее, чем когда он был закреплен на якоре, и поэтому объект хочет двигаться от оси и от нее. Все еще связанный гравитацией, объект делает это, двигаясь к экватору, месту на Земле, которое находится на наибольшем расстоянии от оси. Двигайтесь на запад, в направлении, противоположном вращению Земли, и теперь объект вращается медленнее, чем поверхность Земли, и поэтому он хочет двигаться к оси. Он делает это, двигаясь к полюсу. Это снова проявляется как изгиб вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии.

Вода, движущаяся по поверхности Земли, также подвержена эффекту Кориолиса, который заставляет движущуюся воду искривляться в тех же направлениях, что и описанные выше. В Северном полушарии поверхностные воды изгибаются вправо, а в Южном полушарии — влево от направления, в котором они вынуждены двигаться.

Вращающиеся круги

Вращение Земли также отвечает за круговое движение океанских течений. На Земле существует 5 основных круговоротов — обширных течений, охватывающих целые океаны. Есть круговороты в Северной Атлантике, Южной Атлантике, северной части Тихого океана, южной части Тихого океана и Индийском океане. Подобно поверхностным водам, северные круговороты вращаются по часовой стрелке (вправо), а круговороты на юге вращаются против часовой стрелки (влево).

Центром круговоротов являются относительно спокойные участки океана. Саргассово море, известное своими обширными пространствами плавающих саргассовых водорослей, существует в круговороте Северной Атлантики и является единственным морем, не имеющим сухопутных границ. Сегодня водовороты также являются местами скопления морского пластика и мусора. Самый известный из них известен как Большое тихоокеанское мусорное пятно, но все пять круговоротов являются центрами накопления пластика.

Экман Транспорт

Ветер, движущийся над океаном, движет воду под собой, но не так, как можно было бы ожидать. Эффект Кориолиса, кажущаяся сила, создаваемая вращением Земли вокруг своей оси, влияет на движение воды, включая движение, вызванное ветром. Вспомним, что Кориолис заставляет траекторию движущегося объекта отклоняться вправо или влево в зависимости от того, в каком полушарии он находится. Но в этом случае трехмерная природа океана влияет на направление общего движения воды. Ветер, дующий над водой, будет перемещать океанскую воду под ней в среднем направлении, перпендикулярном направлению ветра.

Транспорт Экмана создает спираль, поскольку ветер тянет поверхность океана, который затем увлекает более глубокие слои воды. (НОАА)

Когда ветер дует над поверхностным слоем воды, трение между ними толкает воду вперед. Как мы знаем, когда вода (и другие объекты) движется по поверхности Земли, она изгибается из-за эффекта Кориолиса. Самый верхний слой воды будет отклоняться от направления ветра примерно на 45 градусов. Для простоты предположим, что этот сценарий происходит в Северном полушарии, и все движения изгибаются вправо. Когда верхний слой воды начинает двигаться, он, в свою очередь, притягивает нижний слой воды, как это делал ветер. Теперь этот второй слой воды начинает двигаться, и он движется в направлении немного правее слоя над ним. Этот эффект продолжается слой за слоем по мере того, как вы спускаетесь с поверхности, создавая эффект спирали в движущейся воде.

Помимо изменения направления, каждый последующий слой вниз теряет энергию и движется с меньшей скоростью. Трение заставляет воду двигаться, но сопротивление сопротивляется этому движению, поэтому, когда мы перемещаемся от верхнего слоя к следующему, часть энергии теряется. Когда учтены все слои вниз по спирали, чистое направление воды перпендикулярно направлению ветра.

Глубинные течения

Океан соединен мощным циркулирующим течением глубоко под водой. Эта схема планетарного тока, называемая глобальной конвейерной лентой, медленно перемещает воду по всему миру, и на полный круг уходит 1000 лет. Это обусловлено изменениями температуры и солености воды, характеристикой, которая заставила ученых ссылаться на течение как на пример термохалинной циркуляции.

Различия в температуре и солености вызывают глубоководные океанские течения. (НАСА)

И тепло, и соль влияют на плотность океанской воды. Более соленая и более холодная вода тяжелее и плотнее, чем менее соленая (или более пресная), более теплая вода. По всему земному шару есть области, где теплота и соленость океанской воды (а значит, и ее плотность) меняются. Наиболее важные из этих областей находятся в Северной Атлантике.

Когда теплая атлантическая вода с экватора достигает холодного полярного региона на севере через Гольфстрим, она быстро остывает. Этот регион также настолько холоден, что океанская вода замерзает, но превращается в лед только вода. Когда вода замерзает, она оставляет соль, в результате чего окружающая вода становится все более и более соленой. Затем холодная соленая вода массовым движением опускается в глубины океана. Именно это погружение является основным двигателем всей системы глубоководной циркуляции, которая перемещает огромные количества воды по всему миру. Похолодание также происходит вблизи Антарктиды, но не до таких крайностей, как в Северном полушарии.

Местные жители в Зеббуге, Мальта, создали солончаки, куда они могут собирать морскую соль после того, как очень соленая морская вода высохнет. (Кристин М)

Еще одна область океана, где огромное количество воды перемещается в глубины океана, находится в Средиземном море. В этой области испарение является основным фактором, изменяющим соленость океанской воды. Когда вода в Средиземном море испаряется, она оставляет после себя соль. Затем эта сверхсоленая океанская вода просачивается в Атлантику через тонкое устье Средиземного моря, также известное как Гибралтарский пролив.

Когда холодная соленая вода циркулирует по земному шару и постепенно становится теплее, она начинает подниматься. «Старая» глубинная вода полна питательных веществ, которые накопились в результате погружения отходов из продуктивных поверхностных вод наверху. Места, где поднимается «старая» вода, являются высокопродуктивными, потому что они содержат достаточное количество питательных веществ и имеют доступ к солнечному свету — идеальное сочетание для фотосинтеза.

Течения и перемены

Поскольку циркуляция океана обусловлена изменением температуры, любое изменение климата планеты может значительно изменить систему. Ученые опасаются, что таяние льдов, вызванное глобальным потеплением, может ослабить глобальную конвейерную ленту, добавив в Арктику дополнительную пресную воду. Исследование, проведенное в 2018 году, показало, что массивное океанское течение, огибающее Атлантический океан, называемое атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляцией, уменьшилось примерно на 15 процентов с 400 года нашей эры и сейчас является самым слабым за последние 1600 лет. По иронии судьбы, несмотря на общее повышение глобальной температуры, в результате этого во многих местах в Северной Америке и Европе может стать холоднее.

Отбойные течения

Отрывное течение видно сверху. (НОАА)

Не все токи происходят в таком большом масштабе. На отдельных пляжах могут быть отбойные течения, опасные для купающихся. Риповые течения представляют собой сильные, узкие, направленные в сторону моря потоки воды, простирающиеся от береговой линии за пределы зоны прибоя. Они встречаются практически на любом пляже с прибоями и действуют как «морские реки», перемещая песок, морские организмы и другие материалы в открытом море. Отрывные течения формируются при наличии вдольбереговых вариаций обрушения волн. В частности, разрывные течения, как правило, формируются в областях с меньшим обрушением волн, зажатых между областями с большим обрушением волн. Это может произойти, когда в песчаных отмелях у берега есть промежутки, от таких сооружений, как пирсы или пристани, или из-за естественных вариаций того, как разбиваются волны.

Разрывные течения могут двигаться быстрее, чем олимпийский пловец, со скоростью до восьми футов (2,4 метра) в секунду. На таких скоростях обратное течение может легко одолеть пловца, пытающегося вернуться на берег. Вместо того, чтобы пытаться плыть против течения, специалисты предлагают не бороться с ним и плыть параллельно берегу. Дополнительные советы по безопасности см. в руководстве NOAA по безопасности при токах разрыва.

Течения и природа

Невидимые человеческому глазу тысячи микроскопических животных путешествуют автостопом через океаны по океанскому шоссе. Эти животные, называемые зоопланктоном, движутся по прихоти океанских течений. У восточного побережья Соединенных Штатов одно из самых мощных океанских течений — Гольфстрим — переносит зоопланктон из Мексиканского залива, огибая оконечность Флориды, до мыса Код в штате Массачусетс, а затем через северную часть Атлантического океана в направлении Европа. Течения позволяют молодым существам находить дорогу в гостеприимные места, где они вырастают во взрослых особей.

Течения на поверхности океана вызываются ветром, температурой, гравитацией и вращением Земли вокруг своей оси. (НАСА)

Другие морские существа передвигаются автостопом по течениям, используя плавающие обломки, такие как маты из морских водорослей, стволы деревьев и даже пластик. Они используют эти убежища, чтобы выжить в опасном открытом океане. После цунами 2011 года, вызвавшего обрушение электростанции «Фукусима-дайити» в Японии, обломки японского побережья начали выноситься на берег западного побережья Северной Америки, принеся с собой более 280 японских видов. Перемещение видов через океанические бассейны помогает поддерживать популяции во всем ареале вида. Это также обеспечивает разнообразие генетики в популяции, что является важным фактором сохранения устойчивости и устойчивости видов к трудностям, таким как болезни и экологические катастрофы.

Течения также влияют на то, куда крупные взрослые виды могут и хотят отправиться. Черепахи и киты ежегодно мигрируют в обильные воды залива Джорджес у побережья Новой Англии, места, которое продуктивно из-за теплых вод, приносимых на север с экватора.

Волны

Волны играют важную роль в функционировании прибрежных экосистем, а также приносят туристический доход из-за того, что привлекают серферов. (пользователь Flickr bluewavechris)

Придавая морской воде форму гребня, волны переносят энергию из одной области в другую. Волны, расположенные на поверхности океана, обычно вызваны ветром, передающим свою энергию воде, а большие волны или зыбь могут перемещаться на большие расстояния.

Когда волны разбиваются о берег, они могут оказать существенное влияние на ландшафт, перемещая целые острова песка и вырезая скалистые береговые линии. Штормовые волны могут даже перемещать валуны размером с автомобиль над линией прилива, оставляя массивный валун на сотни футов вглубь суши. До недавнего времени ученые приписывали размещение этих валунов прошлым повреждениям от цунами, однако исследование 2018 года перевернуло это представление, тщательно зафиксировав движение валунов вдоль скалистой береговой линии в Ирландии за период времени, когда цунами не было. В дополнение к более чем 1000 валунов среднего размера, многие из которых достигают веса более 100 тонн, ученые зафиксировали движение валуна весом 620 тонн (того же веса, что и 9 валунов).0 полноразмерных африканских слонов), демонстрируя, что штормовые волны переместили его более чем на 8 футов (2,5 метра) всего за одну зиму.

Анатомия волны

Анатомия волны. (НОАА)

Волна формируется серией гребней и впадин. Гребни — это пиковые высоты волны, а впадины — самые низкие долины. Волна описывается ее длиной волны (или расстоянием между двумя последовательными гребнями или двумя последовательными впадинами), периодом волны (или временем, которое требуется волне, чтобы пройти длину волны) и частотой волны (количеством гребней волны, которые проходят через нее). в фиксированном месте за определенное время). Когда волна движется, она проходит через воду, но вода почти не движется, а движется по кругу.

Формирование волны

Поверхностные волны

Волны на поверхности океана обычно образуются ветром. Когда дует ветер, он передает энергию через трение. Чем сильнее ветер, чем дольше он дует или чем дальше он может дуть без перерыва, тем больше волны. Таким образом, размер волны зависит от скорости ветра, его продолжительности и площади, над которой дует ветер (вынос). Эта изменчивость приводит к волнам всех форм и размеров. Наименьшие категории волн — это рябь высотой менее одного фута (0,3 м). Самые большие волны возникают там, где есть большие пространства открытой воды, на которые может повлиять ветер. Места, известные своими большими волнами, включают залив Ваймеа на Гавайях, Челюсти на Мауи, Маверикс в Калифорнии, Мулламор-Хед в Ирландии и Теахупу на Таити. Эти места с большими волнами привлекают серферов, хотя иногда волны становятся слишком большими для серфинга. Некоторые из самых больших волн генерируются штормами, такими как ураганы. В 2004 году ураган «Иван» создал волны, средняя высота которых составляла около 60 футов (18 метров), а самые большие были высотой почти 100 футов (30,5 метра). В 2019 году, ураган Дориан также создал волну высотой более 100 футов в северной части Атлантического океана.

Сильный и упорный штормовой ветер создает большие волны. (Том Гилл, Flickr)

Гигантские волны возникают не только у суши. «Волны-убийцы», которые могут образовываться во время штормов, особенно велики — есть сообщения о волнах-убийцах высотой 112 футов (34 м) и 70 футов (21 м) — и они могут быть крайне непредсказуемыми. Морякам они кажутся стенами воды. Никто точно не знает, что вызывает появление волн-убийц, но некоторые ученые считают, что они имеют тенденцию формироваться, когда разные океанские волны усиливают друг друга. Многие из крупнейших зарегистрированных волн-убийц были в Северном море в северной части Атлантического океана. Один был зарегистрирован буем в 2013 году и имел размеры 62,3 фута (19м), а другая, получившая название волны Драупнера, представляла собой массивную стену воды высотой 84 фута (25,6 м), которая пересекла газовую платформу в канун Нового 1995 года.

Волны цунами

Классическая волна цунами возникает, когда тектонические плиты под океаном сдвигаются во время землетрясения. Физический сдвиг плит заставляет воду подниматься и подниматься над средним уровнем моря на несколько метров. Затем она преобразуется в горизонтальную энергию через поверхность океана. От скольжения одной тектонической плиты волны расходятся во всех направлениях, удаляясь от места землетрясения.

Цунами — это набор волн, созданных возмущением, вероятно, землетрясением, которые достигают поверхности моря. (Уоррен Антиола, Flickr)

Когда цунами достигает берега, оно начинает резко замедляться из-за контакта с морским дном. По мере того, как передняя часть волны начинает замедляться, оставшаяся волна накапливается позади нее, в результате чего высота волны увеличивается. Хотя волны цунами имеют высоту всего от нескольких футов до нескольких метров, когда они движутся по глубокому океану, именно их скорость и большая длина волны приводят к резкому изменению высоты, когда они вынуждены замедляться у берега.

Волны цунами способны разрушить прибрежные сообщества с высотой волн, которые иногда превышают около 66 футов (20 м). С 1850 года цунами унесло жизни более 420 000 человек: более 230 000 человек погибли в результате гигантского землетрясения у побережья Индонезии в 2004 году, а ущерб, нанесенный ядерному реактору Фукусима в Японии цунами в 2011 году, продолжает сеять хаос. Хотя цунами нельзя предсказать заранее, когда происходит землетрясение, предупреждения о цунами передаются по радио, а любые волны можно отслеживать с помощью глобальной сети буев — эта система раннего предупреждения необходима, поскольку скорость цунами может достигать более 400 миль в час (644 км/ч). ). Самая высокая волна цунами достигла около 1720 футов (524 м) в результате сильного землетрясения и оползня. Говорят, что когда волна ударяется о берег, она уничтожает все.

Существуют и другие, обычно менее разрушительные волны цунами, вызванные погодными системами, называемыми метеоцунами. Эти волны цунами имеют сходные характеристики с описанными выше классическими цунами, вызванными землетрясением, однако они, как правило, намного меньше и сосредоточены в более мелких областях океанов или даже Великих озер. Метеоцунами часто вызываются быстро движущимися штормовыми системами, и в нескольких случаях они были измерены на высоте более 6 футов (2 метра). Исследование 2019 года показало, что более мелкие волны метеоцунами обрушиваются на восточное побережье США более двадцати раз в год!

Приливы

Приливы на самом деле волны, самые большие волны на планете, и они заставляют море подниматься и опускаться вдоль берега по всему миру. Приливы существуют благодаря гравитационному притяжению Луны и Солнца, но варьируются в зависимости от того, где Луна и Солнце находятся по отношению к океану, когда Земля вращается вокруг своей оси. Луна, будучи намного ближе к Земле, имеет больше силы притягивать приливы, чем Солнце, и поэтому является основной силой, создающей приливы.

Что вызывает приливы?

Гравитационное притяжение Луны заставляет воду вздуваться как на стороне Земли, ближайшей к Луне, так и на противоположной стороне планеты. Гравитация Луны оказывает более сильное притяжение на ближайшую к ней сторону Земли, из-за чего океан выпячивается с этой стороны, в то время как на противоположной стороне планеты центробежная сила, создаваемая Луной и Землей, вращающимися вокруг друг друга, притягивает океанская вода вышла. Центробежная сила — это та же самая сила, которая прижимает всадников к внешним стенам вращающихся карнавальных аттракционов.

Залив Фанди в Нью-Брансуике, Канада, имеет самый высокий диапазон приливов. Приливы колеблются от 3,5 м (11 футов) до 16 м (53 фута) и вызывают эрозию ландшафта, создавая массивные скалы. (Смулан77, Flickr)

Тем временем Земля продолжает вращаться. Когда Земля вращается, выпуклости воды остаются на одной линии с Луной, в то время как поверхность планеты перемещается под ней. Конкретная точка на планете будет проходить через обе выпуклости и обе долины. Когда конкретное место находится на месте выпуклости, оно испытывает прилив. Когда конкретное место находится в долине, оно испытывает отлив. В течение одного планетарного вращения (или одного дня) определенное место будет проходить через обе выпуклости и обе долины, и поэтому у нас бывает два прилива и два отлива в день. Но, в то время как Земле требуется 24 часа, чтобы совершить один оборот, затем она должна совершить еще 50 минут, чтобы догнать вращающуюся вокруг Луну. Вот почему время прилива и время отлива немного меняются каждый день.

Когда прилив отступает, пришвартованные лодки остаются лежать на илистом песке. (Pixabay)

Солнце также играет роль в возникновении приливов и отливов, и его расположение по отношению к Луне изменяет силу притяжения океана. Когда Солнце и Луна находятся на одной линии друг с другом, они усиливают гравитационное притяжение друг друга и создают более сильные, чем обычно, приливы, называемые весенними приливами. Это происходит, когда Луна находится либо на той же стороне Земли, что и Солнце, либо прямо на противоположной стороне Земли. Меньшие, чем обычно, приливные диапазоны, называемые приливами, возникают, когда гравитационная сила Солнца находится под прямым углом к притяжению Луны. Две силы Солнца и Луны компенсируют друг друга и создают прилив.

Континентальная интерференция

Если бы Земля была сферой, покрытой водой, только вода могла бы свободно перемещаться по поверхности планеты, и два прилива в день в каждом месте были бы более или менее одинаковыми. Но континенты препятствуют потоку воды, из-за чего этот, казалось бы, простой ежедневный цикл становится немного сложнее. Из-за континентальной обструкции в некоторых местах наблюдаются два прилива в день более или менее одинаковой высоты (известные как полусуточные приливы), в некоторых местах наблюдается один прилив на одной высоте, а второй на другой высоте (смешанные полусуточные приливы), а в некоторых в местах так много помех с суши, что они испытывают только один прилив и один отлив в день (дневные приливы).

Местная география также может влиять на то, как ведут себя приливы в данной местности. На берегах прибрежных островов и бухт могут наблюдаться отливы с задержкой по сравнению с более гладкими окружающими побережьями, поскольку вода должна проходить через стесненные водные пути.

Приливы и природа

Приливная зона, прибрежная зона, которую приливы погружают на часть дня, является домом для многих морских существ. Требуется особый набор приспособлений, чтобы прожить жизнь, половину времени выжженную солнцем, а другую — погруженную под воду. К тому же надвигающийся прилив обещает постоянный удар океанскими волнами. Несмотря на это, это место, где виды процветают. Моллюски в панцире, такие как барвинки, мускулы и усоногие раки, цепляются за скалы, морские звезды вклиниваются в расщелины, а крабы прячутся в ветвях водорослей.

Красный прилив

Вредоносное цветение водорослей опасно тем, что производит токсины, которые могут убивать морские организмы, портить моллюсков, вызывать раздражение кожи и даже загрязнять воздух.

(Пользователь Flickr AJC1)

Красный прилив — это вовсе не настоящий прилив, а скорее термин, используемый для описания красного цвета цветения водорослей. Водоросли являются неотъемлемой частью океанических систем, но когда они снабжаются чрезмерным количеством питательных веществ, их количество может резко увеличиться и задушить другие организмы. Водоросли могут выделять токсины или погибать, разлагаться, а разлагающие их бактерии поглощают весь кислород. Этот массовый рост водорослей может нанести вред как окружающей среде, так и людям, поэтому ученые часто называют их вредным цветением водорослей или ВЦВ.

Мониторинг приливов

Движение приливов и отливов отслеживается с помощью сети прибрежных измерителей уровня воды, и многие страны предоставляют информацию в режиме реального времени с помощью списков приливов и карт приливов. Приливы можно отслеживать в определенных местах, чтобы предсказать высоту прилива, то есть когда отливы и приливы произойдут в будущем. Залив Фанди в Новой Шотландии, Канада, имеет самый высокий диапазон приливов из всех мест на планете. Приливы здесь колеблются от 11 футов (3,5 м) до 53 футов (16 м) и вызывают эрозию, создавая массивные скалы. Эта эрозия также высвобождает в воду питательные вещества, которые помогают поддерживать морскую жизнь. Течения, связанные с приливами, называются приливными (приливными) и отливными (отливными). Наличие надежных знаний о приливах и приливных течениях важно для безопасного управления судами и для инженерных проектов, таких как энергия приливов и волн, а также для планирования поездок к берегу моря.

Дополнительные ресурсы

Веб-сайты:
NOAA Tides and Currents
USGS Life of a Tsunami
UCAR Center for Science Education Thermohaline Circulation

Темы: Приливы и течения

Теги: Приливы Токи Волны

Август 2020

Какое течение перемещает холодную воду в теплые широты

Последнее обновление пятница, 16 сентября 2022 г. | Растительность

Рисунок 1.6. Внутритропическая зона конвергенции, пояс восходящего воздуха, нагретого экваториальным

Воздух опускается дальше

Воздух поднимается в зоне максимального нагрева от солнца, находящегося прямо над головой

Воздух опускается дальше, земля вращается, и за каждые 24 часа вращения экватору приходится проходить гораздо большее расстояние, чем полюсам. Итак, чем ближе вы к экватору, тем быстрее вы движетесь по мере вращения Земли. Когда ветер дует с немного более высокой широты, он исходит из той части земли, которая вращается медленнее. Приближаясь к экватору, он «остается позади» — и чем ближе он подходит к экватору, тем больше он отстает. Итак, из-за того, что он остается позади, ветер следует по извилистому пути вбок. Этот запаздывающий эффект разницы скорости вращения Земли в зависимости от широты известен как «эффект Кориолиса», и он будет затронут любым ветром или океанским течением, движущимся между разными широтами. Это также объясняет, например, почему ураганы вращаются.

Несмотря на то, что он движется к экватору, большая часть этого ветра не достигает его, потому что эффект Кориолиса поворачивает его в сторону. В конце концов он дует на запад в виде двух параллельных поясов ветров, по одному поясу по обе стороны от экватора (рис. 1.7а). Это пассаты, названные так потому, что во времена парусного спорта торговые суда могли полагаться на эти ветры, чтобы нести их прямо через океан.

Существует еще один родственный эффект — «спираль Экмана» — когда ветер, искривленный эффектом Кориолиса, дует над шероховатой поверхностью земли, трение земной поверхности — которая, помните, вращается под ней с другой скоростью — будет тянуть ветер вместе с вращающейся землей, нейтрализуя эффект Кориолиса (рис. 1.7б).Это приводит к изменению направления ветра у поверхности земли и является одной из причин, почему ветры у земли могут дуть в одном направлении , в то время как облака наверху дуют в другом направлении. Между воздухом, ближайшим к земле, и воздухом, находящимся выше, ветер будет дуть под промежуточным углом, он слегка «загибается». Чем ближе он подходит к поверхности, тем больше он отклоняется от курса.0003

Направление ветра на больших высотах (b) доминирует над эффектом Кориолиса

Но тяга ветра у поверхности меняет свое направление, чтобы следовать за вращением той части Земли, над которой он дует

Рисунок 1.7. а) Эффект Кориолиса. (б) Спираль Экмана.

Есть много других аспектов схемы циркуляции мировой атмосферы, слишком много, чтобы описать их здесь в книге, которая в основном посвящена растительности. Например, есть еще одна конвекционная ячейка восходящего и опускающегося воздуха прямо к северу от внешнего тропического пояса, которая приводится в действие подобно зубчатому колесу, отталкиваясь от охлаждающего воздуха, который опускается вниз. Третья конвекционная ячейка находится над каждым из полюсов.

За пределами тропиков воздух имеет тенденцию двигаться в основном в виде огромных «пузырей» диаметром в сотни миль. Они известны как «воздушные массы». Воздушная масса образуется, когда воздух остается неподвижным в течение нескольких дней или недель над определенной областью, охлаждаясь или нагреваясь, и только позже начинает дрейфовать от того места, где он образовался. воздушная масса, как большая капля сиропа, вылитая в кастрюлю с водой. Она имеет тенденцию растекаться в стороны, а также смешиваться боком с тем, что находится вокруг нее. Известна зона столкновения воздушной массы с воздухом, в который она движется. как «фронт». Когда проходит фронт, бывает перемена погоды, часто идет дождь.0003

В известном смысле детальные модели движения отдельных воздушных масс контролируются тонкими поясами высотных ветров (на высоте от 9 до 12 км) в атмосфере на краю полярных регионов, а также в более низких широтах, где воздух из ITCZ начинает опускаться.

Эти восточные ветры являются струйными течениями. Они «толкают» нижнеуровневые воздушные массы, как шахматные фигуры. В каждом полушарии есть субтропическое струйное течение и полярное струйное течение. Всего получается четыре струйных течения. Струйные течения питаются поднимающимся в них воздухом, движущимся в направлении к полюсу, и они движутся на восток под действием силы Кориолиса, потому что воздух поступает из более быстро вращающихся нижних широт.0003

1.3 ОКЕАНСКАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ

Так же, как ветры движутся в атмосфере, в океанах существуют течения. Они также переносят огромное количество тепла от экватора в более высокие широты. По большей части океанские течения существуют только потому, что их несут ветры, толкая воду за счет трения. Но одна из причин, по которой дуют ветры, заключается в том, что на поверхности существует разница температур, а океанские течения иногда вызывают такой контраст температур (особенно если холодная вода поднимается снизу). Таким образом, вода движется, потому что ветер дует на нее, но ветер может дуть из-за тех же температурных контрастов, которые вызываются движением воды!

Ветер, скользящий по поверхности, будет гонять верхний слой воды в виде течения в определенном направлении, и если оно будет двигаться к экватору или от него, течение в конечном итоге изгибается под действием эффекта Кориолиса. Так, например, в каждом из основных океанских бассейнов мира есть течения, изгибающиеся на восток, которые отходят от экватора благодаря этому механизму (см. ниже). Но под поверхностью течения, искривленного эффектом Кориолиса, более глубокая часть течения увлекается контактом с неподвижными водами под ним. Это перетаскивание имеет тенденцию перемещать его в направлении локального вращения Земли. Так что из-за этого перетаскивания эта более глубокая вода в океане движется в несколько ином направлении. Чем глубже вы погружаетесь, тем больше угол течения изменяется из-за сопротивления воды внизу, и разные слои океана могут двигаться в совершенно разных направлениях. Это тот же эффект спирали Экмана, что и в атмосфере.

Ветры дуют быстро, но на единицу объема воздуха они не переносят много тепла. Теплоемкость океанской воды гораздо больше, но океанские течения движутся гораздо медленнее, чем ветры. На самом деле, как океанские течения, так и ветры играют важную роль в переносе тепла по земной поверхности.

1.3.1 Океанические круговороты и «Ревущие сороковые» (или Неистовые пятидесятые)

Наиболее заметной особенностью циркуляции мирового океана являются течения, образующие большие петли, известные как круговороты. Они начинаются в тропиках, двигаясь на запад, и изгибаются на восток в более высоких широтах каждого океанического бассейна, в конечном итоге возвращаясь в тропики и завершая круг.

Эти круговороты возникают из-за мощных пассатов, дующих на запад во внешних тропиках. Ветры толкают поверхность океана, создавая эти течения. Но почему круговорот океана в конце концов разворачивается и течет на восток? Это происходит потому, что океанские течения ударяются о берега на западных сторонах океанских бассейнов пассатами, которые дуют на запад вдоль экватора. И ветры, и течения отражаются от западной стороны бассейна и начинают уходить от экватора. Поскольку они движутся с той же скоростью вращения, что и экваториальная зона, эффект Кориолиса отклоняет их на восток, по диагонали через океан к более высоким широтам.

Ветры, которые следуют за внешними частями этих океанских круговоротов и помогают им управлять, питаются большим контрастом температур, возникающим по мере того, как океанские течения движутся к полюсу и остывают. В южном полушарии эти ветры известны как Ревущие сороковые, дующие с запада на восток к югу от Южной Африки и Тасмании и скользящим ударом поражающие южную оконечность Южной Америки. Прозвище, которое поколения моряков дали этим ветрам, происходит из-за их неослабевающей силы и склонности нести штормы, а также из-за того, что они остаются в пределах 40-х широт. В северном полушарии эквивалентный пояс ветров расположен больше в пятидесятых и нижних шестидесятых, поражая Исландию, Британские острова и юго-западное побережье Норвегии. Эти ветры, еще более бурные, известны как «Яростные пятидесятые».0003

1.3.2 Ветры и океанские течения сталкиваются друг с другом

Как я уже говорил выше, поверхностные океанские течения приводятся в движение ветрами, но до некоторой степени ветры реагируют на перепады давления и температуры, создаваемые океанскими течениями под ними. Так что это довольно сложная круговая ситуация курицы и яйца.

На самом деле, в циркуляции в Северной Атлантике есть что-то особенное, помимо силы экваториальных пассатов, что отчасти объясняет, почему она достаточно сильна, чтобы производить яростные пятидесятые. Он не только подталкивается, но и притягивается другим механизмом — термохалинной циркуляцией.

1.4 ТЕРМОГАЛИННАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ

Океанические течения не просто перемещаются по поверхности. В некоторых местах верхние океанские воды погружаются в океанские глубины. Это происходит, например, в Северной Атлантике у берегов Гренландии, Исландии и Норвегии. Там, где поверхностные воды тонут, это направляет «реку» поверхностных вод в глубины океана. Аналогичный процесс опускания происходит у берегов Антарктиды и на небольшом участке Средиземного моря (к югу от Марселя, Франция) зимой.

Причина, по которой эти воды тонут, заключается в том, что они плотнее окружающего океана. Но почему они плотнее? В основном это связано с более высоким содержанием солей. Налейте густой соляной раствор в миску с пресной водой, и он опустится прямо на дно, и здесь действует тот же принцип. Эти более плотные и соленые воды океана происходят из областей, которые подвергаются сильному испарению из-за жаркого климата. Испарение воды оставляет после себя более концентрированный раствор соли, и это ключ ко всему механизму. Так, например, воды в круговороте Северной Атлантики происходят от Гольфстрима, вытекающего из Карибского моря. Нагретый тропическим солнцем, он потерял изрядное количество воды в результате испарения. После того, как водяной пар унесен, оставшаяся морская вода остается более соленой и плотной, поскольку она уходит на своем пути на север через поверхность Атлантики (рис. 1.8а и 1.9).). Но вода еще недостаточно плотная, чтобы утонуть, потому что Гольфстрим все еще теплый, поскольку он переносится на север. Теплая вода имеет тенденцию быть менее плотной, чем холодная. Несмотря на то, что он более соленый, его дополнительное тепло удерживает его плотность довольно низкой, и он все еще может плавать над менее соленой, но холодной водой внизу.

Только достигнув северных широт, вода Гольфстрима резко остывает, отдавая свое тепло ветрам, дующим на восток над Европой. Поскольку вода Гольфстрима остыла, она теперь стала тяжелее окружающих вод и, в конце концов, тонет, образуя «трубы» нисходящей воды диаметром около километра, ведущие вниз на дно океана. Эти трубы, как правило, образуются в промежутках между льдинами, когда холодный ветер гуляет по поверхности. Достигнув дна, затонувшие воды расширяются, образуя дискретный слой, который в конечном итоге распространяется по всем океанским бассейнам мира (рис. 1.8б).

Есть несколько различных тонущих регионов, из которых вода уходит в глубины (Северная Атлантика — лишь один из них), и каждый из них производит свою собственную массу воды. Эти разные воды располагаются друг над другом в виде своеобразного «слоеного пирога», который проявляется в поперечном сечении океана. Каждый слой имеет свою собственную плотность, баланс температуры/солености, химический состав и движется по своему собственному пути.

Почти все глубокие океанские воды в мире — на глубине около 300 метров — холодные (примерно от 2 до 4° C), хотя большая часть поверхности океана теплее.Даже в тропиках, где температура поверхностных вод может быть 32°C, вода на глубине ниже 300 м примерно такая же холодная, как в бытовом холодильнике.0003

: Рисунок 1.8. Термохалинная циркуляция в Атлантике.

: Рисунок 1.8 (продолжение). Относительно соленая теплая вода (а) поступает на север из тропиков, затем (б) остывает и опускается в глубины океана, увлекая за собой еще больше воды.

: Экватор

Рисунок 1.9. Океанские круговороты.

глубокие воды такие холодные? Потому что они возникают как вода, которая опускается зимой в высоких широтах, когда поверхность моря холодная. Если бы другие более теплые воды с другими температурами вместо этого заполняли глубины океана, масса океанской воды вместо этого отражала бы их конкретную температуру.

На самом деле, в другое время в прошлом (например, в период раннего эоцена, около 55 миллионов лет назад) во всем глубоком океане была умеренная температура 12°C вместо примерно 3°C в настоящее время. Почему? Возможно, потому, что «питание» тонущих вод происходило не только в холодных приполярных морях, но и в тропических широтах, из мест, подобных нынешним Аравийскому заливу, где теплая, но соленая вода (концентрированная за счет испарения) выливается в Индийский океан. . Что эта система противоположной циркуляции сделала с климатом? На самом деле климатологи понятия не имеют. Но это, возможно, могло бы помочь объяснить более теплый мир в такие времена, мир, в котором, например, были пальмы и крокодилы, живущие около полюсов.

Атмосфера имеет тенденцию удерживать тепло благодаря процессу, известному как «парниковый эффект». Газы в атмосфере в основном прозрачны для видимого света, который является основной формой, в которой солнечная энергия поступает на Землю. эти же газы имеют тенденцию сильно поглощать невидимый инфракрасный свет, излучаемый земной поверхностью, чтобы отдавать тепло обратно в космос. снова), где он снова поглощается поверхностью и помогает сохранять тепло. Это известно как «парниковый эффект».

Вставка 1.1 Парниковый эффект

Если бы не комбинированный парниковый эффект газов естественного происхождения в атмосфере, температура Земли в естественных условиях была бы в среднем от -200C до -300C. Таким образом, это дополнительное потепление очень важно для поддержания умеренной температуры Земли для жизни.

В настоящее время существует серьезная озабоченность в связи с продолжающимся повышением уровня содержания в атмосфере некоторых парниковых газов в результате деятельности человека. Например, количество углекислого газа увеличивается примерно на 1 % в год из-за его высвобождения в результате сжигания ископаемого топлива и вырубки лесов по всему миру (глава 7). Ожидается, что его концентрация удвоится по сравнению с 250-летней давностью где-то в середине 21-го века. Беспокоит то, что превышение фонового уровня этого и других парниковых газов приведет к серьезным климатическим изменениям во всем мире в ближайшие столетия. Уже сейчас, кажется, происходит заметное потепление, и есть вероятность, что оно будет усиливаться. Поскольку температура сильно влияет на растения, вполне вероятно, что глобальное потепление изменит распределение биомов (см. главы 2 и 3). Существенное значение могут иметь и сдвиги в количестве осадков, возникающие в результате изменения теплового баланса и циркуляции атмосферы. И из-за множества «обратных связей», обсуждаемых в последующих главах этой книги, изменение растительности само по себе может усилить начальное изменение климата, что приведет к более значительным изменениям, чем могло бы произойти в противном случае (рис. 1.10).

ВИДИМЫЙ СВЕТ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ЗЕМЛИ

Рисунок 1.10. Как работает парниковый эффект. (a) Видимый свет от солнца может

НО НЕКОТОРЫЕ ИЗ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ЗЕМЛИ ЗАХВАЧИВАЮТСЯ И ОТРАЖАЮТСЯ ОБРАТНО ГАЗАМИ В АТМОСФЕРЕ

атмосферы. (b) Часть инфракрасного излучения, покидающего земную поверхность, поглощается и направляется обратно на землю.

1.5 ВЕЛИКОЛЕПНАЯ ТЕПЛОТРАНСПОРТНАЯ МАШИНА

Понижение температуры к полюсам формирует основную модель климата Земли. Но эта картина сильно меняется из-за глобальной циркуляции двух жидкостей: воздуха и воды. Учет циркуляции воздуха и воды позволяет нам более подробно понять современные модели климата.

Один из полезных способов осмысления мировой климатической циркуляции состоит в том, чтобы рассматривать ее как машину, передающую тепло, которая забирает тепло из тропиков и перемещает его в более высокие широты. Он действует за счет движения теплых океанских течений, а также движения ветров и воздушных масс (тех больших «пузырей» воздуха), которые движутся по поверхности.

Тепло передается не только в виде температуры, которую можно легко измерить (известной как «ощутимое» тепло, поскольку ее легко «ощутить»), но и в виде «скрытой теплоты». Эта скрытая теплота скрыта энергия, которая выходит, только если вы пытаетесь понизить температуру влажного воздуха до появления тумана из капель воды. При попытке охладить его температура воздуха падает, но далеко не так быстро, как можно было бы ожидать, потому что водяной пар конденсируется как капли выделяют тепло, которое сохраняет воздух теплым.0003

Если бы не это движение тепла в воздушных массах и океанских течениях, высокие широты были бы намного холоднее, чем они есть на самом деле. Теплоперенос из тропиков «дотирует» более высокие широты на целых 40-60% больше, чем тепла, которое они получают от солнца (и чем выше широта, тем важнее эта тепловая субсидия). Этот отвод тепла от тропиков также делает их более прохладными, чем они были бы в противном случае.

Места в высоких широтах, расположенные близко к океанам и принимающие особенно сильные океанские течения из тропиков, могут быть намного теплее, чем места, где их нет. Теплое течение, известное как Гольфстрим (упомянутое выше), пересекает Атлантический океан от Карибского моря к северо-западу Европы. Во многом из-за Гольфстрима в Британии в среднем гораздо более теплый климат, чем в Новой Шотландии, восточной оконечности Канады, которая находится на той же широте на западной стороне Атлантики. В Англии в январе трава остается зеленой, а пальметто можно выращивать на открытом воздухе, потому что зимы очень мягкие. В Новой Шотландии всю зиму лежит глубокий снег, а температура может опускаться до —■40 °C. Как упоминалось выше, отчасти причина того, что Гольфстрим так сильно течет на север и переносит так много тепла, заключается в том, что он по существу «всасывается» на север опускающимися водами термохалинной циркуляции в северной Атлантике.

Существует аналогичный «гольфстрим», достигающий западной части Северной Америки (например, на дождливом острове Ванкувер), где климат очень мягкий по сравнению с суровыми зимами Сахалина/северной Японии на той же широте на западной стороне

Высокоширотные места, изолированные от тропических воздушных масс и теплых Морские течения имеют тенденцию быть особенно холодными в течение большей части года. Наиболее экстремальным примером является Антарктида, отрезанная от остального мира поясом бурлящих течений и ветров, известных как «Ревущие сороковые». Это предотвращает значительную передачу тепла от нижних

широты, поэтому Антарктида холоднее, чем район Северного полюса, который получает воздушные массы и более теплые океанские течения из низких широт (рис. 1.11).

В некоторых местах особенно холодная область океана недалеко от побережья влияет на климат внутри страны. Хотя Новая Шотландия находится в невыгодном положении с точки зрения тепла, потому что она не получает Гольфстрим, холодность ее климата усугубляется холодным морским течением, которое проходит вдоль западной стороны Гренландии, принося воду прямо вниз с Северного полюса. . На другой стороне Северной Америки замечательный климат Сан-Франциско в Калифорнии, где почти никогда не бывает жарко — и почти никогда не бывает мороза, — вызван зоной подъема прохладных глубинных океанских вод недалеко от побережья. Аналогичная прохладная зона апвеллинга встречается у побережья Перу, где она приводит к крайней засушливости пустыни Атакама (см. ниже).

1.5. 1 «Континентальный» климат

Районы, расположенные далеко от суши в более высоких широтах, как правило, испытывают большие сезонные колебания температуры, поскольку они отрезаны от смягчающего влияния океанов. Моря обладают очень высокой способностью аккумулировать тепло, поэтому их температура в течение года меняется не так сильно (рис. 1.12а). Напротив, земля остывает или нагревается гораздо быстрее. Район, расположенный далеко в глубине суши, подвергается меньшему влиянию океана и больше зависит от количества тепла, получаемого из-за разного угла наклона солнца и продолжительности дня в разное время года. Поэтому в таких местах сезонные перепады температур могут быть экстремальными (рис. 1.12б). Самые холодные зимы на земле за пределами Антарктиды бывают не на Северном полюсе, а в глубине северо-восточной Сибири из-за ее изоляции от океанов. Это известно как «континентальный» климат, который получает мало тепла от далеких океанов и не так много нагревает водяной пар в атмосфере для выделения тепла. Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная зимой на северо-востоке Сибири, составляла леденящие душу -68°C. Но, как это ни парадоксально, в этой же части Сибири бывает и теплое лето; температура может превышать 30°C. Летнее тепло является следствием того же фактора — изоляции от охлаждающих морских ветров, не проникающих в глубь Сибири с окраинных морей.

В меньшей степени континентальный климат с большими сезонными колебаниями температуры встречается в центральной Канаде и США, Восточной Европе и Центральной Азии.

Океанский климат

Температура

ВЕСНА ЛЕТО ОСЕНЬ ЗИМА

б) Континентальный климат

Температура б) Континентальный климат

Температура

107329 Годовой ход температуры океанического и континентального местоположений сравнивается.

1.5.2 Характер осадков

Не только режим температуры зависит от океанских течений и ветров. Модели влажности или засушливости больших частей поверхности земли в мире можно понимать как продукт циркуляции.

Почему, например, тропики такие влажные? Как и в случае с температурой, это, в конечном счете, результат угла наклона солнца. Полоса восходящего воздуха вдоль экватора (внутритропическая зона конвергенции или ВКЗ) возникает из-за интенсивного солнечного нагрева, когда солнце находится прямо над головой. Нагрев создает конвекцию в воздухе, и этот восходящий воздух всасывает влажные морские ветра и воду, испаряющуюся из лесов. Когда воздух поднимается вверх, он охлаждается, и капли воды конденсируются в виде облаков, а затем падают в виде дождя. Это дает влажный климат тропических лесов внизу.

Обычное утро в экваториальных тропиках начинается ясным и солнечным. Когда солнце поднимается высоко в небо, день становится жарким, но к середине дня облака начинают собираться и покрывать небо, поскольку солнечное тепло вызывает конвекцию в атмосфере. В конце концов, ближе к вечеру дневную жару сменяет гроза, оставляя воздух свежим и мягким, а растительность влажной от дождя.

В сотнях километров дальше на север и на юг воздух, поднятый вверх в ITCZ, опускается обратно на землю.