Условия существования электрического тока. Электрический ток в проводниках. Школьный курс физики

Главная | Физика 11 класс | Условия существования электрического тока

Дальнейшее развитие науки об электричестве связано с изучением процессов, наблюдаемых при движении заряженных частиц. Первые работы в этом направлении связаны с именами итальянских учёных Луиджи Гальвани (1737—1798) и Алессандро Вольты (1745—1827). Гальвани обнаружил так называемое «животное электричество», а Вольта правильно истолковал его опыты и изобрёл первый в истории науки источник постоянного тока. В начале XIX в. электричество и магнетизм рассматривались как различные физические явления, хотя неоднократно высказывалась мысль об их взаимосвязи. В 1820 г. датский учёный Ханс Эрстед (1777—1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. В том же году французский физик Андре Мари Ампер (1775—1836) экспериментально обнаружил магнитное взаимодействие проводников с токами.

Результаты опытов Эрстеда и Ампера наглядно продемонстрировали связь между электрическими и магнитными явлениями.

Основополагающий вклад в развитие электродинамики внёс английский физик Майкл Фарадей (1791—1867). В 1831 г. он экспериментально открыл явление электромагнитной индукции. Кроме того, Фарадей предложил концепцию поля, открыл законы электролиза, исследовал магнитные свойства вещества и др. Обобщая экспериментальные исследования Фарадея по электромагнитной индукции, британский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) создал теорию электромагнитного поля. В её рамках изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное поле. Эти изменяющиеся поля существуют нераздельно и представляют собой единое электромагнитное поле. Возмущения электромагнитного поля (электромагнитные колебания) распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн.

Продолжение изучения электродинамики связано с рассмотрением законов постоянного тока, протекания электрического тока в различных средах, магнитных явлений, явления электромагнитной индукции, электромагнитных колебаний и волн.

Глава 1. Постоянный электрический ток

В данной главе мы рассмотрим физические величины, характеризующие постоянный электрический ток, а также способы их измерения. Особое внимание обратим на законы постоянного тока: закон Ома для участка электрической цепи, закон Ома для полной (замкнутой) цепи и закон Джоуля — Ленца. C их помощью мы научимся определять параметры электрических цепей, а также объяснять действия разнообразных электротехнических устройств.

§ 1. Условия существования электрического тока. Электрический ток в проводниках

Действия электрического тока.

Движение заряженных частиц в проводнике мы не наблюдаем. Однако о существовании электрического тока можно судить по различным явлениям, которые он вызывает. Такие явления называют действиями электрического тока.

1. Проводник, по которому протекает электрический ток, нагревается. Это тепловое действие тока. Именно благодаря тепловому действию тока нагреваются спирали в электроплитке, утюге, раскаляется добела вольфрамовая нить в электрической лампочке.

2. Электрический ток может изменять химический состав проводника. В этом проявляется химическое действие тока. Например, при прохождении тока через раствор медного купороса из раствора выделяется медь, а при прохождении тока через подкислённую воду она разлагается на водород и кислород. Химическое действие имеет место лишь при прохождении тока через растворы или расплавы электролитов.

3. Электрический ток оказывает магнитное действие. Расположенная вдоль проводника с током магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Это явление было обнаружено Эрстедом в 1820 г. Если изолированную проволоку намотать на железный гвоздь, то он становится магнитом и притягивает железные опилки (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Магнитное действие тока, в отличие от теплового и химического действий, является основным, так как оно сопровождает ток всегда.

Что такое электрический ток?

Дадим строгое определение тому, что называют электрическим током.

Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц называют электрическим током.

Электрический ток существует лишь тогда, когда происходит перенос электрических зарядов с одного места в другое. Если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в куске металла, то переноса заряда не происходит (рис. 1.3, а).

Рис. 1.3

Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника в определённую сторону, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении заряженных частиц (рис. 1.3, б). В этом случае в проводнике устанавливается электрический ток.

Электрический ток возникает при упорядоченном движении свободных электронов в металле, положительных и отрицательных ионов в водных растворах и расплавах электролитов (солей, кислот, щелочей), ионов и электронов в газах, при падении заряженных капель дождя, при движении заряженного эбонитового стержня и т. д.

Электрический ток имеет определённое направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Поэтому если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Сила тока.

Электрический ток в проводнике характеризуется физической величиной — силой тока.

Силой тока называют скалярную физическую величину, равную отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к величине этого промежутка.

Формула (1) выражает среднее за промежуток времени Δt значение силы тока. Если за любые равные промежутки времени через любое поперечное сечение проводника проходят одинаковые заряды, т. е. если сила тока и его направление не изменяются с течением времени, то электрический ток называют постоянным. Сила постоянного тока численно равна заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за 1 с:

Силу тока удобно иногда считать положительной или отрицательной величиной в зависимости от выбора положительного направления вдоль проводника. Если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением, то I > 0, в противном случае I < 0. Часто под силой тока понимают её абсолютное значение, дополнительно указывая направление тока.

В СИ единица силы тока ампер (

А) является основной. Её устанавливают на основе магнитного взаимодействия двух проводников с токами. Согласно формуле (1) можно записать: 1A = 1 Кл/1 с.

Условия возникновения и существования электрического тока.

Рассмотрим условия, которые необходимы для возникновения и существования электрического тока.

1. Наличие свободных заряженных частиц (носителей заряда). Такими носителями заряда в металлах и полупроводниках являются электроны, в растворах электролитов — положительные и отрицательные ионы, в газах — электроны и ионы.

2. Наличие силы, действующей на заряженные частицы (носители заряда) в определённом направлении.

На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой = q. Обычно именно электрическое поле внутри проводника является причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.

Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника отсутствует.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника существует разность потенциалов (напряжение). Если она не изменяется с течением времени, то в проводнике устанавливается постоянный ток.

Для того чтобы ток существовал непрерывно в проводнике

AB (рис. 1.4), необходимо поддерживать на его концах разные потенциалы.

  

Рис. 1.4

Это можно осуществить разными способами. Например, можно было бы непрерывно заряжать тело А и разряжать тело В. Можно заряжать тело А от электрофорной машины, а тело В заземлить (рис. 1.4, а). Но можно поддерживать непрерывный ток в проводнике, перенося обратно заряды с тела В на тело А по другому проводнику, образуя для этого замкнутую цепь (рис. 1.4, б).

Однако под действием сил этого же электрического поля такой перенос зарядов невозможен, так как потенциал тела В меньше потенциала тела А. Перенос зарядов с тела В на тело А может быть совершён только с помощью сил неэлектрического происхождения — сторонних сил.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электростатических (кулоновских) сил, называют сторонними силами.

Наличие таких сил обеспечивает источник тока, включаемый в электрическую цепь. Силы, действующие в источнике тока, переносят заряд от тела с меньшим потенциалом к телу с большим потенциалом, т. е. источник тока обладает энергией. Источниками тока являются электрические машины, гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и др. Ряд соединённых между собой проводников вместе с источником тока составляют замкнутую электрическую цепь.

На рисунке 1.4, в приведена схема электрической цепи, в которой находится источник тока. Клеммы А и В источника имеют избыточные заряды — положительный и отрицательный. На внешнем участке цепи положительные заряды движутся под действием сил электрического поля от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. На внутреннем участке цепи BA перенос зарядов от В к А осуществляется сторонними силами, действующими в источнике тока.

Каким образом возникает электрическое поле внутри проводника при наличии источника тока? Когда проводник присоединяют к клеммам источника, свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, смещаются и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся по всей цепи, в результате чего вдоль поверхности проводника появляются заряды, создающие внутри него электрическое поле, обеспечивающее существование постоянного тока. Это поле потенциально, как и электростатическое поле.

Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике.

Рассмотрим, как связана сила тока в однородном проводнике с величинами, характеризующими движение заряженных частиц. Выделим в среде, в которой существует электрический ток, очень малый объём в форме прямого цилиндра с площадью поперечного сечения S (рис. 1.5).

Рис. 1.5

Цилиндр ориентирован так, что его основания перпендикулярны скорости упорядоченного движения частиц . Под скоростью упорядоченного движения частиц ¹ в малом объёме ΔV (но содержащем много частиц) мы понимаем отношение геометрической суммы скоростей частиц к числу их в этом объёме:

---

¹ Эту скорость также называют скоростью дрейфа частиц.

Средняя скорость хаотически движущихся частиц равна нулю.

Пусть высота цилиндра равна пути υΔt, проходимому частицами за время Δt. Здесь υ — модуль скорости упорядоченного движения частиц. Тогда все заряженные частицы, находящиеся внутри цилиндра, за время Δt пересекут сечение цилиндра с площадью В. Если концентрация заряженных частиц в среде n, то за время Δt через сечение с площадью S будет перенесён заряд где q₀ — заряд отдельной частицы.

Используя формулу (1), найдём силу тока в проводнике:

Таким образом, сила тока в проводнике прямо пропорциональна модулю заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, модулю скорости их упорядоченного движения и площади поперечного сечения проводника.

Из формулы (2) следует, что скорость упорядоченного движения частиц в проводнике равна

Для металлического проводника заряд q₀, переносимый каждой частицей, — это заряд электрона: q₀ = е. Следовательно,

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике достаточно мала. Расчёты показывают, что в медном проводнике, площадь поперечного сечения которого равна 1 мм², при силе тока 10A эта скорость составляет примерно 7 ∙ 10 ^-4 м/с. Она в сотни миллионов раз меньше средней скорости их теплового движения.

Вопросы:

1. Приведите примеры действий электрического тока.

2. Что представляет собой электрический ток?

3. Что называют силой тока?

4. Какие условия необходимы для возникновения и существования электрического тока?

5. От каких физических величин зависит скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике?

Вопросы для обсуждения:

1. Электроны в металлах движутся под действием электрического поля, напряжённость которого равна . При этом оно действует на электроны с силой = q. Почему же электроны не движутся равноускоренно?

2. В проводнике переменного сечения (S₁ > S₂) протекает электрический ток. Сила тока равна I. Одинакова ли напряжённость электрического поля на участках проводника 1 — 2 и 2 — 3 (рис. 1.6)?

Рис. 1.6

Одинакова ли сила тока на этих участках?

3. Почему, наступая на трамвайный рельс, по которому течёт ток, мы не подвергаем себя опасности поражения током?

Пример решения задачи

Сила тока в однородном металлическом проводнике изменяется по закону I = kt, где коэффициент пропорциональности k = 10 А/с. Определите модуль заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, в интервале времени от 2 до 5 с.

Площадь фигуры под графиком (в данном случае трапеции) численно равна модулю заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника.

Подставляя числовые данные, получим

Ответ: q = 105 Кл.

Упражнения:

1. Определите силу тока в проводнике, если через его поперечное сечение за 10 с проходит 2 ∙ 10²⁰ свободных электронов.

2. Сила тока в лампочке карманного фонаря равна 0,32 А. Сколько электронов пройдёт через поперечное сечение нити накала за 0,1 с?

3. В электрическую цепь последовательно включены источник тока, амперметр, электрическая лампа и ключ. За 20 с через поперечное сечение нити накала лампы проходит заряд, модуль которого равен 6 Кл. Какую силу тока покажет амперметр?

4. Найдите среднюю скорость упорядоченного движения электронов в однородном металлическом проводе площадью поперечного сечения 5 мм² при силе тока в нём 10 А. Концентрация свободных электронов проводимости составляет 5 ∙ 10²² мм^-3.

Предыдущая страницаСледующая страница

Электрический ток в жидкостях кратко

4.6

Средняя оценка: 4. 6

Всего получено оценок: 214.

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 214.

Электрический ток – это движение зарядов в веществе. Вещество может иметь различные состояния – твердое, жидкое, газообразное, плазменное, и каждый из этих случаев имеет свои особенности. Рассмотрим кратко электрический ток в жидкостях, а также механизм проводимости жидкостей.

Проводимость жидкостей

Для того, чтобы вещество могло проводить электрический ток, оно должно содержать некоторую концентрацию заряженных частиц, способных двигаться под действием электрического поля. Как и в твердых телах, такие частицы имеются не во всех жидкостях, поэтому жидкости также, как и твердые тела, могут быть проводниками и диэлектриками. Например, химически чистая вода практически не содержит носителей заряда, и является диэлектриком.

Однако, проводимость жидкостей, содержащих свободные заряженные частицы, существенно отличается от проводимости твердых тел. Если в твердых телах атомы выстраиваются в плотную кристаллическую решетку, и электроны могут достаточно свободно перемещаться между атомами, обеспечивая металлическую проводимость, то в жидкостях свободных электронов нет. Молекулы жидкости располагаются на достаточно больших расстояниях, и электроны не могут свободно покидать ядра.

Рис. 1. Молекулы жидкости.

Поэтому проводимость жидкостей обеспечивается исключительно за счет наличия в ней заряженных ионов.

Ионы и ионная связь

Ион – это часть молекулы, число электронов в которой не равно числу протонов в ядрах его атомов, и, таким образом, ион всегда имеет некоторый заряд.

Ионы образуются за счет того, что существуют энергетически устойчивые конфигурации электронных оболочек в атомах, число электронов в которых имеет определенные значения – чаще всего, 0, 2 или 8 электронов.

Атому, число внешних электронов у которого близко к этим цифрам, «энергетически выгодно» изменить число электронов так, чтобы число электронов во внешней оболочке стало устойчивым, даже несмотря на приобретение электрического заряда.

Во внешней электронной оболочке натрия имеется один электрон, поэтому натрий очень легко теряет его, превращаясь в положительный ион. Во внешней электронной оболочке хлора имеется семь электронов, поэтому хлор легко включает один свободный электрон в оболочку, становясь отрицательным ионом. Эти два процесса могут быть объединены – натрий передает электрон хлору, в результате образуются два противоположно заряженных иона, которые сразу же притягиваются друг к другу. Поэтому натрий горит в хлоре, образуя белый дым, состоящий из мельчайших кристалликов обычной поваренной соли $NaCl$.

Рис. 2. Горение натрия в хлоре.

Химическая связь, возникающая за счет образования ионов, называется ионной. Такая связь имеется практически во всех кислотах, солях и щелочах.

Электролитическая диссоциация

Если вещество, молекулы которого образованы ионной связью расплавить, то сперва молекулы за счет температуры удаляются друг от друга все дальше, а потом наступает определенный момент, когда и ионы, образующие молекулы, тоже удаляются настолько далеко друг от друга, что им становится возможным образовывать ионные связи с другими ионами. Таким образом, в расплаве вещества за счет температуры появляются подвижные заряженные частицы, способные двигаться под действием внешнего электрического поля.

Воздействие температуры можно заменить воздействием растворителя. Если молекулы растворителя являются диполем (например, обычная вода), то эти молекулы могут взаимодействовать с ионами кристаллической решетки растворяемого вещества, унося их в раствор. В растворе появляются заряженные частицы, способные двигаться под действием электрического поля. Происходит это, как правило, при более низких температурах. Например, если расплав поваренной соли требует температуры более 800⁰C, то растворение соли происходит при комнатной температуре.

Распад вещества на ионы с образованием проводящего электролита под действием температуры или растворителя называется электролитической диссоциацией.

Рис. 3. Ионная электролитическая диссоциация.

Таким образом, жидкость может проводить электрический ток, если она, либо сама состоит из ионов, либо является раствором вещества с ионной связью.

Что мы узнали?

Электрический ток в жидкостях может существовать, если жидкость содержит свободные заряженные частицы – ионы. Такие частицы могут существовать, либо если молекулы жидкости состоят из ионов, либо если в жидкости растворено вещество с ионной связью (например, расплав или раствор поваренной соли). Жидкость, не содержащая ионов (например, химически чистая вода) электрический ток не проводит.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Оценка доклада

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 214.

---

А какая ваша оценка?

Текущие данные USGS о воде для страны

Текущие данные USGS о воде для страны

— Предопределенные дисплеи —
ВведениеСоздание пользовательской таблицыWaterWatch (вне площадки)GroundwaterWatch (вне площадки)WaterQualityWatch (вне площадки)USA Streamflow TableUSA Lake and Reservoir TableUSA Precipitation TableUSA Groundwater TableUSA Water-Quality TableDaily stageDaily streamflowDaily Stage and Streamflow Group table by
— без группировки —StateCountyHydrologic Unit Выбор сайтов по номеру или имени

Ежедневные условия речного стока

Пояснение Высокий > 90-й процентиль 76 — 90 процентиль 25 — 75 процентиль 10–24 числа процентиль < 10-й процентиль Низкий Без рейтинга

Цветные точки на этой карте отображают состояние речного стока в виде процентиль, который рассчитывается от периода записи для текущий день года. Только станции со стажем не менее 30 лет. используются записи. серых круга обозначают другие станции, которые не попали в рейтинг процентилей либо потому, что они имеют менее 30 лет истории, либо потому что они сообщают о параметрах, отличных от потокового потока. Некоторые станции, например, только стадия измерения.

Выберите штат на карте для доступа к данным в реальном времени Текущие данные обычно записываются с интервалами от 15 до 60 минут, хранятся на месте, а затем передаются в офисы USGS каждые 1–4 часов, в зависимости от используемого метода ретрансляции данных. Запись и время передачи может быть более частым во время критических событий. Данные с текущих сайтов передаются в офисы Геологической службы США через спутник, телефон и/или радиотелеметрия и доступны для просмотра в течение нескольких минут прибытия. Все данные в реальном времени предварительный и подлежащий пересмотру . Построить таблицу текущих условий Показать пользовательскую сводную таблицу текущих условий для одной или нескольких станций. Временной ряд сборки Показать пользовательские графики или таблицы для серии последних данных для одной или нескольких станций.

Текущие данные USGS о воде для Пенсильвании

Текущие данные USGS о воде для Пенсильвании

— Предопределенные дисплеи —
ВведениеСоздать пользовательскую таблицуНаблюдение за водой (вне площадки)Наблюдение за грунтовыми водами (вне площадки)Наблюдение за качеством воды (вне площадки)Таблица водотоков ПенсильванииТаблица озер и водохранилищ ПенсильванииТаблица осадков в ПенсильванииТаблица осадков в ПенсильванииТаблица грунтовых вод ПенсильванииТаблица качества воды Пенсильвании Сгруппировать таблицу по
— без группировки — Большой речной бассейн Графство Гидрологическая единица Выбрать участки по номеру или названию

Ежедневные условия стока

Выберите сайт для получения данных и информации о станциях.

Пояснение Высокий > 90-й процентиль 76 — 90-й процентиль 25 — 75 процентиль 10–24 числа процентиль < 10-й процентиль Низкий Без рейтинга

Цветные точки на этой карте отображают состояние речного стока в виде процентиль, который рассчитывается от периода записи для текущий день года. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника