Глава 12 Постоянный электрический ток § 96. Электрический ток, сила и плотность тока

В электродинамике — разделе учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел, — важнейшим понятием является понятие электрического тока. Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. В проводнике под действием приложенного электрического поля Е свободные электрические заряды перемещаются: положительные — по полю, отрицательные — против поля (рис. 146, а), т. е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела (рис. 146, б), то возникает так называемый конвекционный ток.

Рис. 146

Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока — заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, а с другой —

наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I — скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока

где Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение провод ника. Единица силы тока — ампер (А).

Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

Выразим силу и плотность тока через скорость ‹v› упорядоченного движения зарядов в проводнике.

Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время t через поперечное сечение S проводника переносится заряд

Q=nevSdt. Сила тока

а плотность тока

(96.1)

Плотность тока — вектор, ориентированный по направлению тока, т. е. направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м²).

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора J, т. е.

(96.2)

где dS = ndS (n — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с век тором j угол ).

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы

неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.), действующей в цепи:

(97.1)

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину  можно также называть электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь. Часто, вместо того чтобы сказать: «в цепи действуют сторонние силы», говорят: «в цепи действует э. д. с.», т. с. термин «электродвижущая сила» употребляется как характеристика сторонних сил. Э.д.с., как и потенциал, выражается в вольтах (ср. (84.9) и (97.1)).

Сторонняя сила F_CT, действующая на заряд Q₀. может быть выражена как

где Е — напряженность поля сторонних сил.

Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q₀ на замкнутом участке цепи равна

(97.2)

Разделив (97.2) на Q₀, получим выражение для э. д. с., действующей в цепи:

т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1 -2, равна

(97.3)

На заряд Q₀ помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля F_e= Q₀E. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q₀, равна

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке 1—2, равна

Используя выражения (97. 3) и (84.8), можем записать

(97.4)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю (см. § 83), поэтому в данном случае A

12 = Q₀₁₂

Напряжением U на участке 1—2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторон них сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (97.4),

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э.д.с., т. е. сторонние силы отсутствуют.

 Почему напряжение является обобщенным понятием разности потенциалов?

напряжения? разности потенциалов?

проводимостью?

Сторонние силы, электродвижущая сила и напряжение

Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 26Следующая ⇒ Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называютсяисточниками тока. Силынеэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называютсясторонними. Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физи­ческая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называетсяэлектродвижущей силой (э.д.с.),действующей в цепи: (97.1) Эта работа производятся за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину можно также называть электродвижущей силой источника тока, включен­ного в цепь. Часто, вместо того чтобы сказать: «в цепи действуют сторонние силы», говорят: «в цепи действует э.д.с.», т. е. термин «электродвижущая сила» употребляется как характеристика сторонних сил. Э.д.с., как и потенциал, выражается в вольтах (ср. (84.9) и (97.1)). Сторонняя сила Fст, действующая на заряд Q0, может быть выражена как где Е — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q0 на замкнутом участке цепи равна (97.2) Разделив (97.2) на Q0, получим выражение для э. д. с., действующей в цепи: т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1—2, равна (97.3) На заряд Q0 помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля Fe=Q0E. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q0, равна Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q0 на участке 1—2, равна Используя выражения (97. 3) и (84.8), можем записать (97.4) Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому в данном случае Напряжением U на участке 1—2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (97.4), Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует Э.д.с., т. е. сторонние силы отсутствуют. 12.   | на главную | доп. материалы | физика как наука и предмет | электричество и электромагнетизм | Работа и мощность тока, закон Джоуля — Ленца Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За «время dt через сечение проводника переносится заряд dq=Idt. Так как ток представляет собой перемещение заряда dq под действием электрического поля, то, по формуле (84.6), работа тока (99.1) Если сопротивление проводника R, то, используя законОма (98.1), получим (99.2) Из (99.1) и (99.2) следует, что мощность тока (99.3) Если сила тока выражается в амперах, напряжение — в вольтах, сопротивление — в омах, то работа тока выражается в джоулях, а мощность — в ваттах. На практике применяются также внесистемные единицы работы тока: ватт-час (Вт×ч) и киловатт-час (кВт×ч). 1 Вт×ч — работа тока мощностью 1 Вт в течение 1 ч; 1 Вт×ч=3600 Bт×c=3,6×103 Дж; 1 кВт×ч=103 Вт×ч= 3,6×106 Дж. Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идет на его нагревание и, по закону сохранения энергии, (99.4) Таким образом, используя выражения (99.4), (99.1) и (99.2), получим (99.5) Выражение (99.5) представляет собойзакон Джоуля—Ленца, экспериментально установленный независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. X. Ленцем.* * Э. X. Ленц (1804—1865) — русский физик.   Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем dV=dSdl (ось цилиндра совпадает с направлением тока), сопротивление которого По закону Джоуля — Ленца, за время dt в этом объеме выделится теплота Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема, называется удельной тепловой мощностью тока. Она равна (99.6) Используя дифференциальную форму законаОма (j=gЕ) и соотношение r=1/g, получим (99.7) Формулы (99.6) и (99.7) являются обобщенным выражениемзакона Джоуля—Ленца в дифференциальной форме, пригодным для любого проводника. Тепловое действие тока находит широкое применение в технике, которое началось с открытия в 1873 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным (1847—1923) лампы накаливания. На нагревании проводников электрическим током основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги (открыта русским инженером В. В. Петровым (1761—1834)), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д. ⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒ Читайте также:  Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Рынок недвижимости. Сущность недвижимости Решение задач с использованием генеалогического метода История происхождения и развития детской игры 

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-20; просмотров: 318; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь — 161.97.168.212 (0.005 с.)

Почему напряжение описывается как потенциальная энергия на заряд?

Просто относитесь к напряжению и силе тяжести одинаково. «Сила напряжения» — это электростатическая сила, а «статическое электричество» управляет током в цепи. Всякий раз, когда напряжение отлично от нуля, у нас есть статическая электрическая сила на любые электроны в проводах.

Один из способов понять это: использовать концептуальный подход с «альтернативным ментальным набором инструментов», где вольт не определяется как джоуль на кулон. Вместо этого определите Джоуль с точки зрения Вольтов и Кулонов.

В этом случае любая измененная энергия системы пропорциональна переносу небольшого заряда Q через разность потенциалов V. Другими словами, движение небольшого заряженного объекта по потенциальному холму является причиной возникновения потенциальной энергии. Зная картину напряжения в пространстве, мы можем рассчитать PE любых движущихся зарядов. Обычно это демонстрируется «зарядкой» конденсатора с параллельными пластинами: заряды берутся с одной пластины и заставляют их преодолевать электростатическое отталкивание, перемещая их на другую пластину, которая вводит энергию в конденсатор.

Но но… что тогда означает «напряжение»?

В этом случае напряжение — это математическое понятие, называемое «Потенциалы». Он не определяется с точки зрения потенциальной энергии. Вместо этого это линейный интеграл потока электронного поля. Вместо этого это способ описания электронных полей, даже если пробные заряды не перемещаются, без потенциальной энергии, связанной с пробными зарядами. Электронное поле — это отдельная вещь, и оно все еще существует, даже когда все тестовые заряды удалены. Представьте себе электронное поле, висящее в пустом пространстве.

Мы можем рассматривать поля как состоящие из тонких волокон, «силовых линий» или линий потока. Но мы также можем рассматривать поля как состоящие из эквипотенциальных плоскостей, как сложенные стопкой страницы книги. Если поток — это группа воображаемых линий в электронном поле, то что такое потенциалы? Это воображаемые сложенные слои электронного поля. Любой подход верен, и эти мембраны напряжения столь же «реальны» и важны, как и силовые линии. Мы обычно описываем электронные поля в терминах линий потока, потому что их легко рисовать на плоской бумаге, тогда как потенциальные плоскости представляют собой сложные трехмерные объекты. (Обратите внимание, что линии потока всегда перпендикулярны эквипотенциальным плоскостям, через которые они проходят. Например, линии потока вокруг заряженной частицы радиальны, а эквипотенциальные слои вокруг той же частицы будут выглядеть как вложенные друг в друга сферы, как луковица.)

Что такое напряжение? Это отдельная концепция: «Потенциалы». Майкл Фарадей и Дж. К. Максвелл много использовали эту математическую концепцию, когда остальная часть физического сообщества избегала и отвергала ее. Ведь полей не существовало, а настоящие физики верили только в Мгновенное Действие На Расстоянии. Фарадей породил концепцию электромагнитных полей, но ее проигнорировали. Максвелл положил ее на прочную математическую основу, и, наконец, поля можно было рассматривать как настоящие физические сущности; странные предметы, висящие в пустом пространстве. Математическая концепция Потенциалов или «Напряжения» является одним из подходов к описанию этих сущностей.

Другими словами, напряжение не равно джоулю на кулон. Вместо этого напряжение является одной стороной электронных полей, когда отсутствуют бесконечно малые пробные заряды.

PS, не убедили? Если нет, то спросите себя, могут ли магнитные потенциальные поля существовать в космосе, даже если никакие тестовые полюса не перемещаются для создания PE? И есть ли еще какая-то гравитация в пространстве над землей, даже когда никакие валуны не поднимаются (действительно ли гравитационные потенциальные поля состоят из джоулей на валун 9?0020 ? А если валуна нет?) Потенциальное поле все еще там, над грязью, и Вольты все еще висят в пустом пространстве между обкладками конденсатора. Ну, только если вы отвергнете убеждения до-максвелловского сообщества физиков о дистанционном действии и позволите полям иметь подлинное существование.

определение — Каков физический смысл электрического потенциала, разности потенциалов и напряжения?

Но что такое потенциал в этом примере?

В вашей аналогии с обычными людьми электрический потенциал будет магазин с распродажей в одном конце улицы, а может авария или что-то еще интересное. Люди склонны двигаться к интересной цели (с меньшим потенциалом) и прочь от другой, менее интересной цели (с более высоким потенциалом). Так же, как камень хочет упасть вниз, а не вверх, потому что точки вверх и вниз находятся в разных потенциалах .

Каков физический смысл разности потенциалов 2 В?

Единица измерения Вольт равна Дж/Кулон , $[\mathrm{V}]=[\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}}]$. Помните, что $\mathrm{C}$ — это зарядов . Итак, мы говорим об энергии на один заряд. И более высокий потенциал имеет больше энергии на заряд.

Теперь вернемся к аналогии с обычными людьми. Если вдруг случается авария, то люди вдруг начинают к ней двигаться, потому что это очень интересно (менее потенциально). Может быть, они побегут, чтобы добраться туда быстро. Чем ближе они подходят, тем медленнее они будут двигаться, так как они скоро там, и они уже могут видеть все больше и больше.

Если вы полицейский, или охранник магазина, или кто-то еще, сдерживающий людей, то чем дальше они от интересного места, тем больше им хочется двигаться — тем больше они толкаются или больше бегут. И здесь их очень трудно сдержать.

Если намного приблизиться к интересной точке на улице, то люди уже видят происходящее и меньше толкаются.

Как на рок-концерте, если динамики плохие, люди, находящиеся дальше, будут толкать толпу, чтобы приблизиться. По мере приближения они слышат музыку все лучше и лучше и постепенно перестают тужиться.

Как будто их энергия, с которой они пытаются двигаться, становится все меньше и меньше по мере их приближения. Энергия на человека (имеется в виду энергии на заряд ) уменьшается по мере того, как они достигают более низкого потенциала.

Имеет ли это смысл?

А что меняется в потоке электронов при потенциале 1 или 2 В?

$1$ или $2 \mathrm{V}$ — это просто мера того, насколько велик потенциал в какой-то точке улицы. Если обычная ситуация (улица во всех точках до аварии) равна $0 \mathrm{V}$, то когда авария произойдет внезапно, у вас будет разность потенциалов, которая начнет тащит человек в этом направлении.

Если две аварии происходят одновременно в разных местах улицы, то, возможно, одна из них связана с падением байкера ($1 \mathrm{V}$), а другая — с большим грузовиком, в котором взорвался бак с жидким азотом, а машина загорается и люди кричат ​​($2 \mathrm{V}$, дело в том, что это интереснее).