куда он может течь, частицы переноса, определение стороны

Физика

12.11.21

14 мин.

Ток образуется при определённом перемещении частиц. Традиционно за них принимают электроны и ионы. Но на самом деле всё гораздо сложнее. В движении участвуют как положительные носители зарядов, так и отрицательные, поэтому, чтобы было удобно исследовать процессы, за направление электрического тока взяли изменение положения плюсовых частиц. Другими словами, учёные договорились, что он течёт по проводнику от «плюса» к «минусу».

Оглавление:

• Общие сведения
• Электрический ток в веществах
• Направление движения
• История принятия направления

Общие сведения

Скалярная физическая величина, позволяющая телу излучать электромагнитное поле, называется зарядом. Он не может существовать сам по себе без носителей. В качестве их принимаются подвижные частицы или квазичастицы.

Именно они обеспечивают возникновение электрического тока. Например, в качестве их может выступать электрон, ион, дырка или позитрон.

За единицу измерения электрического заряда принят кулон (Кл). Фактически он показывает, сколько прошло через поперечное сечение элементарных частиц. При этом ток принимают равный одному амперу, а время одной секунде. Несмотря на то что в замкнутой системе могут появляться новые частицы, обладающие зарядом, их общее число всегда остаётся постоянным. Если одни рождаются, то другие уничтожаются. Эта закономерность установлена была в 1843 году Фарадеем и известна как закон сохранения электрического заряда.

В любом физическом теле имеются носители зарядов. Если на них не оказывается взаимодействие, наступает так называемый электронный баланс: энергия находится на постоянном уровне. Когда движение частиц происходит хаотично, она поглощается и выделяется в равных частях. Но если к телу приложена внешняя сила, которая заставляет двигаться заряды в одном направлении, возникает электрический ток.

Поток частиц может быть двух видов:

1. Переменный — характеризуется изменением значения и направления во времени. Течение зарядов изменяется по определённому закону. Чаще всего это синусоидальная функция. Если выполнить измерение, можно увидеть, что ток будет непрерывно изменять направление.
2. Постоянный — при его возникновении направление движение носителей заряда не изменяется или смена выражена слабо. В последнем случае ток считают пульсирующим. Фактически это периодический электрический ток, у которого среднее значение за период отлично от нуля. Получается он при выпрямлении переменного.

Количественной характеристикой направленного потока является сила. Её определяют, как количество заряженных частиц, пройденное через поперечное сечение за единицу времени. Вокруг каждого носителя существует электрическое поле. Оно описывается с помощью напряжения, величина которого находится как разность потенциалов. Это характеристика, которая показывает изменение заряд при переходе частицы из одного положения в другое.

Электрический ток в веществах

Направленное движение частиц может возникнуть в разных физических телах вне зависимости от их агрегатного состояния. Способность вещества пропускать через себя ток определяется проводимостью. Это параметр характеризуется числом свободных носителей, которые участвуют в переносе заряда.

В зависимости от своих физических свойств,

все существующие тела можно разделить на следующие виды:

1. Проводники — твёрдые вещества, имеющие достаточное количество свободных электронов, которые и являются источником тока. Основными носителями в них являются электроны. К ним относятся все металлы.
2. Диэлектрики — материалы с большой величиной удельного сопротивления, в них практически невозможно создать ток.
3. Полупроводники — по проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Их характеристики сильно зависят от температуры и степени примесей в кристаллической решётке.
4. Электролиты — жидкости, способные пропускать электрический ток. Как пример, можно привести водные растворы кислот, щелочей, солей. При взаимодействии с водой молекулы веществ распадаются на ионы. Они, в свою очередь, образуют отдельные атомы или группы. Эти образования обладают положительным зарядом (катионы) или отрицательным (анионы).
5. Газы и плазма — ток в них создаётся за счёт перемещения электронов и положительных ионов.
6. Вакуум — основные носители электроны. Чтобы они появились, в среду вводят металлические электроды.

Таким образом, в веществах токи возникают в результате упорядоченного изменения положения заряженных частиц относительно той или иной среды. Этот процесс называют возникновением тока проводимости. Но вместе с этим существует и движение макроскопических заряженных тел — конвекционное. Примером такого вида тока могут служить капли дождя во время грома.

Атомы проводников прочно сидят в кристаллической решётке, поэтому свободно двигаться могут только электроны, не имеющие связей. Частицы же газов и жидкостей могут перемещаться, так как не имеют прочных связей, поэтому носителями зарядов будут как ионы, так и электроны. Их дрейфовая скорость определяется типом материала проводника, массой, окружающей температурой и приложенной разностью потенциалов.

Направление движения

Скорость распространения электричества по проводникам очень высока. По заверениям учёных, она приближается к значению, равному распространению света. Но эта скорость не определяет движение самих зарядов. Всё дело в том, что в замкнутой цепи под действием внешней силы свободные частицы взаимодействуют по всей длине тела, поэтому скорость распространения зарядов имеет своё название — дрейфовая.

В какую сторону направлено перемещение положительных зарядов, ту и принимают за направление электрического тока.

Но известно, что в металлах электроны выступают как носители, поэтому выбор направления был принят условно. Физики договорились, что ток направлен от плюса к минусу. Это было связано с опытами Франклина, разрабатывающего свою жидкостную теорию. Он увидел, что перетекание в сообщающих сосудах происходит из большей ёмкости в меньшую, то есть из более электризованного места в меньшее.

Например, в полупроводнике можно представить себе цепочку атомов, в которой появился положительный ион. За счёт действия поля произойдёт перемещение электрона от атома, стоящего после частицы к нему. Затем по цепочке носитель заряда начнёт переходить от третьего атома ко второму иону, от четвёртого к третьему. Значит, в полупроводнике ток течёт против поля. Перенос зарядов от атомов, заряженных нейтрально, происходит за счёт движения электронов против действия силовых линий и дырок, совпадающих с ними по направлению.

Свободный электрон, встречаясь с дыркой, образует положительный ион. Этот процесс называют рекомбинацией. В идеальном проводнике примесей нет, поэтому уничтожение дырок и электронов не происходит. Число положительных и отрицательных частиц одинаково. Но в природе таких материалов нет, а изготовить их такого качества довольно трудно и дорого.

Свойства веществ изменяются в зависимости от типов примеси. Дырочный механизм может вовсе отсутствовать, а ток будет идти только за счёт свободных электронов. Такие материалы называют электронными. В ином же случае — дырочными. Например, при соединении металла с полупроводником ток может течь как от первого материала ко второму, так и обратно. Это связано с тем, что в электронном полупроводнике из-за избытка отрицательных частиц происходит их диффундирование в металл, а в дырочном — наоборот.

История принятия направления

Французский экспериментатор Шарль Франсуа Дюфе, проводя опыты с электризацией путём натирания эбонитовой палочки, смог определить, что заряжалось не только тело, но и непосредственно эбонит.

При этом возникающий заряд нейтрализовался. Таким образом, было установлено, что существуют 2 вида зарядов, одновременно находящихся в электромагнитном поле.

Позже этот эффект подтвердил и Роберт Симмер. Физик родом из Шотландии одевал 2 пары чулок. Первые были с утеплением, а вторые шёлковые. Снимая сразу с ноги оба чулка, он обратил внимание, что если их потом выдёргивать один из одного они изменяют форму. Сначала колготы раздувались, а позже резко слипались. При этом если чулки были изготовлены из однородного материала, например, шерсти, они отталкивались друг от друга.

Эти наблюдения привели учёного к выводу, что в каждом теле содержится не 1, а 2 вида материи в одинаковом количестве. При взаимодействии веществ какая-то её часть может перейти к другой. В результате в одном станет избыточное содержание каких-то зарядов, а в другом их недостаток. Оба материала станут наэлектризованными и противоположными по знаку.

В 1779 Вольт создал столб, генерирующий электричество. Это был один из первых источников тока. С его помощью удалось исследовать электролиз. В итоге учёный смог подтвердить, что в жидкостях существует 2 противоположно заряженных потока частиц. Так было достоверно установлено, каким будет путь движения электрического тока.

Увидеть, куда условно течёт ток, можно экспериментально. Этот опыт часто показывают в седьмом классе на физике. Для него понадобится:

• полиэтилен;
• 2 электрометра;
• проволока.

С помощью проводника нужно соединить электрометры и, потерев полиэтилен, поднести его к устройствам. На обеих шкалах измерителей стрелка отклонится в одну сторону. Это говорит, что заряды одного знака скопились в первом устройстве, а другого во втором. Произошло перемещение как одного знака зарядов, так и другого.

Через 30 лет Ампер предложил для удобства описания экспериментов выбрать, каково же будет направление тока. За него было решено принять движение положительно заряженной частицы. С тех пор предложенное физиками положение об условном направлении было принято повсюду, и не изменилось до сих пор. Даже несмотря на то, что в вакууме перемещаются только отрицательно заряженные электроны, всё равно направление тока выбирается от плюса к минусу.

Виды токов

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц (электронов) вдоль проводника. То есть, это простое, однонаправленное перемещение очень маленьких частичек (с огромной скоростью) внутри электрических проводников (в большинстве случаев металлов — медь, алюминий, серебро, золото и различных сплавов, хорошо проводящих ток).

Основных видов электрического тока существует два — постоянный и переменный (импульсный, это частичный случай переменного). Постоянный ток — это, не что иное как простое однонаправленное перемещение электрических зарядов в одну сторону. От одного полюса к другому без изменения направления во времени. На деле в твёрдых веществах (проводниках) электрический ток течет от минуса к плюсу (происходит перемещение отрицательных зарядов, электронов). В жидких и газообразных средах постоянный ток бежит, наоборот, от плюса к минусу (движение ионов, положительно заряженных частиц). В теоретической области было принято считать, что постоянный электрический ток всегда течет от плюса к минусу (при работе с принципиальными электрическими схемами).

Постоянный ток имеет постоянную величину своего напряжения (обычно наиболее используемые величины 3, 5, 6, 9, 12, 24 вольт). При работе его величина может изменяться всего на несколько процентов, по причине падения напряжения при динамической работе самой нагрузки (к примеру, постоянный электродвигатель, который может иметь плавающую механическую нагрузку на своём вале, ну и т.д.). Для постоянного напряжения (точнее электрических схем, работающие на постоянном типе тока) важно оставаться неизменным. Если схема рассчитана на постоянное напряжение 12 вольт, то и подаваться на неё должно строго 12 вольт с небольшим отклонением в несколько процентов. Для обеспечения этого используются различные решения начиная от правильно подобранных электрических деталей, компонентов, и заканчивая всевозможными электрическими, электронными схемами различных стабилизаторов, фильтров и т.д.

Постоянный ток имеет как свои достоинства, так и свои недостатки. Иначе бы использовался только этот тип электрического тока! Практически все электронные схемы нуждаются в питании именно постоянным током. Сам принцип действия и работа электронных элементов основан на этом виде тока. Также электрические аккумуляторы могут работать только с постоянным током, ну и т.д. Основным недостатком этого вида электротока является плохая передача электроэнергии на значительные расстояния (возникают большие потери). Кроме этого для его преобразования нужны более сложные электрические устройства.

Переменный электрический ток представляет собой упорядоченное, плавно изменяющееся (синусоидальное) движение электрических зарядов вдоль проводника, которое периодически меняет свои полюса. Наиболее распространённой частотой переменного тока является 50 Герц. То есть, за одну секунду направление тока в электрической цепи меняется с плюса на минус и наоборот аж 50 раз. Хотя это считается ещё и низкой частотой. Переменный ток может быть однофазным (используются 2 провода и напряжение между ними 220 вольт) или же трёхфазным (используются 3 фазных провода, напряжение между двумя любыми из них 380 вольт и один нулевой).

Переменный вид тока легко преобразуется и передается на большие расстояния с минимальными потерями на самой линии электропередач. Наиболее используемые величины переменного напряжения, от которых питаются конкретные электроприборы, это 220 вольт (напряжение для бытового использования населением) и 380 вольт (для промышленного использования, где важны именно 3 фазы). Для того, чтобы получить из одной величины тока или напряжения другую величину обычно применяют всего одно устройство, которое называется силовым трансформатором. На его вход подают одни значения напряжения или тока, а на выходе получают другие, более высокие или низкие.

Может ли электрический ток быть отрицательным

Вы когда-нибудь задумывались, может ли электрический ток быть отрицательным в цепи? Вы можете задаться вопросом: «Возможно ли отрицательное напряжение?» Если да, то что это значит и как это предотвратить. Читайте дальше, чтобы узнать больше. А до тех пор рассматривайте эту информацию как основу для изучения того, как работает электричество. Вы сможете лучше ответить на вопрос «Может ли электрический ток быть отрицательным?»

Содержание

Может ли электрический ток в цепи быть отрицательным?

Термин «напряжение» не всегда используется для описания электрического тока. Отрицательное напряжение — обычное соглашение для объяснения схем на бумаге. Однако эта концепция не обязательно приводит к ощутимому эффекту в повседневных ситуациях. Например, вы можете использовать отрицательное напряжение в электрической цепи, чтобы объяснить цепь, в которой нет положительной клеммы. Это менее распространенное, но все же важное использование отрицательного напряжения. Давайте изучим концепцию и выясним, почему она иногда используется.

Электричество является вектором и поэтому имеет как положительное, так и отрицательное направления. Если вы думаете, что положительный ток течет в одном направлении, отрицательный ток — в противоположном. Вот почему ток иногда называют «отрицательным током». Отрицательный ток возникает при отрицательном напряжении. Это явление было случайно обнаружено Бенджамином Франклином, когда он случайно поменял местами две лейденские банки. Тем не менее, этот отрицательный ток не приводит к отключению цепи, если к аккумулятору подключен источник напряжения.

Чтобы понять электрический ток, вы должны понять, как он протекает в цепи. Заряд движется по цепи в соответствии с разницей уровней энергии между двумя терминалами. Клемма с более высоким напряжением имеет знак плюс, а клемма с более низким напряжением называется отрицательной клеммой. Помимо положительного и отрицательного тока, цепи могут быть ориентированы в любом направлении. Положительный ток течет от положительного вывода к отрицательному, а отрицательный ток течет в обратном направлении.

Может ли электрический ток быть отрицательным? Может ли напряжение быть отрицательным?

Может ли напряжение быть отрицательным? Вы можете задавать себе тот же вопрос, но, вероятно, будете удивлены, услышав отрицательный ответ. Напряжение определяется как разница уровней энергии между двумя точками, а именно положительной и отрицательной. В обычных цепях ток течет от положительного вывода к отрицательному. Однако он может быть и отрицательным. В следующих разделах мы обсудим соглашение о знаках напряжения и исследуем практические последствия отрицательного напряжения.

Термин отрицательное напряжение относится к уровню напряжения, который ниже контрольной точки (обычно заземления). В электрических цепях всегда требуется положительный уровень напряжения, чтобы переместить электроны из положительно заряженного состояния в отрицательно заряженное состояние. Отрицательное напряжение возникает в электрических системах с отрицательной полярностью, таких как батареи. Если вставить аккумулятор фонарика вверх ногами, напряжение упадет. Но лампа фонарика по-прежнему генерирует ток, несмотря на низкое напряжение.

Иногда для питания устройства требуется шина отрицательного напряжения. Это обычная потребность аппаратных хакеров. Эти люди обычно осознают свою потребность в шине отрицательного напряжения после завершения своего проекта, а затем обращаются к своему удобному справочному руководству. Использование причудливых стабилизаторов и дорогих блоков питания — это один из вариантов, но и встроенное решение тоже подойдет. Просто не забудьте проверить характеристики источника питания, который вы используете, и напряжение устройства, прежде чем покупать его.

Возможно ли отрицательное напряжение?

Вопреки распространенным заблуждениям, отрицательное напряжение реально и может быть записано в электрической цепи. На практике это не сильно влияет на ваши усилия. Отрицательное напряжение на самом деле является скорее условностью, чем практической необходимостью. По сути, это способ сделать математические уравнения более точными. Однако маловероятно, что это будет эффективный инструмент для создания аппаратного обеспечения. Вот несколько способов использования отрицательного напряжения. Читайте дальше, чтобы узнать больше.

Одним из способов создания отрицательного напряжения является обращение электролитической реакции в батарее. Когда вы добавляете достаточное напряжение к электролитической ячейке, достаточное его количество переводит электроны из их текущего состояния в состояние 0 — отрицательное напряжение. Это можно увидеть, перевернув выводы вольтметра. Поместите аккумулятор в перевернутый фонарик, чтобы проверить его отрицательное напряжение. Обратите внимание, что ток все еще течет через лампу фонарика.

В цепи электроны текут между двумя точками с разными уровнями энергии. Положительный полюс притягивает электроны, а отрицательный полюс их отталкивает. Таким образом, при отрицательном напряжении происходит обратное. Специалисты определяют положительное напряжение как избыток положительных зарядов, а отрицательное напряжение противоположно этому. Итак, у вас может быть отрицательное напряжение? Если можешь, то как? Вы можете узнать о разнице между отрицательным и положительным напряжением, посетив Ohmify, онлайн-академию электроники.

Что означает отрицательное напряжение?

Если вы когда-либо работали с электроникой, вы, возможно, задавались вопросом: что означает отрицательное напряжение? Этот термин имеет множество применений, включая описание схем на бумаге. В целом, однако, отрицательное напряжение не оказывает заметного влияния на повседневную жизнь. Это также условность, которая не приводит к реальным последствиям. Тем не менее, отрицательное напряжение может быть полезным инструментом в правильном контексте.

Во-первых, отрицательное напряжение — это идея, а не реальная вещь. Это математическое понятие. Примером отрицательного напряжения является разница между положительным и отрицательным зарядом. Положительное напряжение — это изобилие положительного заряда, а отрицательное — наоборот. В большинстве случаев положительное напряжение равно отрицательному заряду. Это делает первый термин полезным для понимания широкого круга электрических цепей.

По существу, отрицательное напряжение относится к напряжениям, которые ниже опорного заземления. Если вольтметр показывает отрицательное напряжение, электроны в цепи выталкиваются в отрицательное пространство. Отрицательное напряжение указывает на отсутствие тока в электролитической ячейке. Отрицательное напряжение не будет присутствовать в конденсаторе, но будет присутствовать в резисторе. Также возможно создать батарею с положительным напряжением, но с отрицательным напряжением.

Может ли напряжение батареи быть отрицательным?

В чем разница между положительным и отрицательным напряжением? Если источник напряжения положительный, а другой отрицательный, то отрицательное напряжение более отрицательное, чем заземление цепи. Таким образом, если источником напряжения является батарея, отрицательная клемма подключается к заземлению цепи, а положительная клемма подключается к положительной стороне. Итак, что является правильным измерением напряжения? Ответ зависит от вашей точки отсчета. В этой статье мы объясним, как определить напряжение и разницу между положительным и отрицательным напряжением.

Если батарея подключена неправильно, у вас может возникнуть проблема. Однако это касается не всех аккумуляторов. Отрицательная клемма аккумулятора означает, что напряжение отрицательное. Отрицательная клемма аккумулятора может быть как аккумулятором большой, так и малой емкости. Батарея большой емкости будет иметь некоторую оставшуюся емкость, в то время как батарея малой емкости будет почти полностью разряжена. Этот принудительный ток от батареи А приведет к еще большему разряду батареи В. Это когда возникает отрицательное напряжение. Если батарея подключена неправильно, она может протечь или возникнуть другие проблемы.

Батарея может быть отрицательной или положительной. Его отрицательный полюс содержит отрицательные вещества, такие как протоны. С помощью мультиметра можно проверить напряжение с помощью двух лампочек. Вы можете размещать отведения в любом направлении. Например, если вы поместите отрицательные выводы на лампочку, то вы увидите напряжение -6 вольт. Это не имеет большого значения, но это все же стоит знать.

Если напряжение отрицательное, ток отрицательный?

Если напряжение отрицательное, ток тоже отрицательный? В электрических цепях ток течет от положительного полюса батареи к его отрицательному аналогу. Если напряжение отрицательное, оно противоположно направлению тока. Кроме того, отрицательный ток течет в направлении, обратном расчетному. Чтобы понять, как напряжение влияет на ток, вы должны сначала понять, как оно выражается.

Когда напряжение отрицательное, ток представляет собой поток электронов. Измеритель напряжения может определить разницу, наблюдая за направлением движения электронов. Положительный ток течет в направлении положительного заряда. Отрицательный ток течет в обратном направлении. Примером этого может быть, если положительный заряд проходит через отрицательное напряжение. Если отрицательный заряд проходит через отрицательное напряжение, ток будет отрицательным.

Чтобы понять, почему это так, важно понимать разницу между положительным и отрицательным напряжением. Положительное напряжение указывает на обилие электронов. И наоборот, отрицательное напряжение является недостатком. Если вы никогда не слышали о положительном и отрицательном напряжении, вы можете запутаться. Чтобы понять разницу, вам нужно понять, как электроны перемещаются между двумя терминалами. Ответ зависит от типа цепи, поэтому существуют разные полярности элементов электрической цепи.

Наша запутанная электрическая номенклатура начинается с теории Бена Франклина?

20 ноября 2012 г.

В школе вы могли знать, что электроны заряжены отрицательно, а протоны — положительно. Это не факт природы, а условность, придуманная человеком. Это факт, что протоны и электроны имеют противоположные заряды, но ученые могли бы так же легко назвать электроны положительными, а протоны отрицательными. Все можно было сделать намного проще. Теперь мы учим студентов, что электрический ток течет от положительного к отрицательному, хотя мы знаем, что электроны движутся в направлении, противоположном направлению тока. Почему бы не назвать электроны положительными и определить направление тока так, чтобы оно совпадало с направлением этих положительных электронов?

Я начал задаваться вопросом, не обязаны ли мы странному обратному определению электрического тока Бенджамину Франклину, поскольку он положил начало нашему соглашению называть противоположные электрические заряды положительными и отрицательными. Теория «одной жидкости» Франклина утверждала, что электричество течет внутри объектов и между ними — избыток жидкости делает одни объекты положительными, а недостаток жидкости делает другие отрицательными. Заряд можно было перемещать, но нельзя было создавать или уничтожать.

Франклин сделал все наоборот? Чтобы это выяснить, мне нужно было найти подходящих историков. У нас в Филадельфии есть главный музей, посвященный истории химии, совместно с нашим Фондом химического наследия, и вскоре я обнаружил, что в Миннеаполисе есть главный музей, посвященный электричеству. Он называется Музей Баккена. Я отправил им по электронной почте свой вопрос о происхождении положительных и отрицательных зарядов и вскоре получил ответ от Джастина Спенсера:

Отличный вопрос! Существует два распространенных способа представить поток электричества в цепи. 1) Ток течет от положительного к отрицательному полюсу батареи, который обычно преподается в классах до того, как вводится идея о заряженных частицах. 2) Поток электронов, когда электроны выходят из отрицательной клеммы батареи и текут к положительной клемме батареи.

Насколько известно истории, Бен Франклин представлял себе электричество как тип невидимой жидкости, которая может образовываться или отсутствовать в материале или, по крайней мере, в некоторых материалах. Он считал, что когда эта невидимая жидкость накапливается, объект получает положительный заряд. Когда этой жидкости не было, он назвал этот материал отрицательно заряженным. Оказывается, он правильно понял концепцию, но номенклатуру задом наперёд.

Во всяком случае, это моя интерпретация. Более подробное объяснение можно найти в Википедии по адресу http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_charge#History.

Конечно, мы не можем винить Франклина в том, что он перевернул его. Никто не мог догадаться, в каком направлении текла «жидкость» до того, как были открыты электроны. Но то, как догадывался Франклин, сбивало с толку, поскольку, согласно статье в Википедии, он решил, что электрическая жидкость попадает в стекло, когда его протирают тканью.

Теперь мы знаем, что стекло теряет электроны, когда заряжается — из него что-то вытекает. Таким образом, мы все еще можем придерживаться соглашения Франклина, продолжая говорить, что стекло заряжается положительно, пока электроны определяются как отрицательные.