электрический ток его основные параметры
ПОСТОЯННЫЙ ТОК
Электрический ток:
понятие, условия, действия тока
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:
Действия тока:
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).
Основные характеристики электрического тока (таблица)
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 Imax, 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, Iа и Iш
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 = IDt получаем: A= IUDt = I 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».
Постоянный электрический ток: определение, механизм, характеристики
Постоянный ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, движущихся в одном направлении.
По теории данные заряженные частицы относят к носителям тока. В проводниках и полупроводниках такими носителями являются электроны, в электролитах – заряженные ионы, в газах – электроны и ионы. Металлы характеризуются перемещением только электронов. Отсюда следует, что электрический ток в них – это движение электронов проводимости.
Результат прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих растворах заметно отличается. Наличие химических процессов в металлах при протекании тока отсутствует. В электролитах под воздействием тока происходит выделение ионов вещества на электродах. Различие заключается в отличии носителей зарядов металла и электролита. В металлах – это свободные электроны, отделившиеся от атомов, в растворах – ионы, атомы или их группы с зарядами.
Необходимые условия существования электрического тока
Первое необходимое условие существования электрического тока любого вещества – наличие носителей заряда.
Для равновесного состояния зарядов необходимо равнение нулю разности потенциалов между любыми точками проводника. При нарушении данного условия, заряд не сможет переместиться. Отсюда следует, что второе необходимое условие существования электрического тока в проводнике – создание напряжения между некоторыми точками.
Упорядоченное движение свободных зарядов, возникающее в проводнике как результат воздействия электрического поля, называют током проводимости.
Такое движение возможно при перемещении в пространстве заряженного проводника или диэлектрика. Подобный электрический ток получил название конвекционного.
Механизм осуществления постоянного тока
Для постоянного прохождения тока в проводнике следует подсоединить к проводнику или их совокупности устройство, в котором постоянно происходит процесс разделения электрических зарядов для поддержания напряжения в цепи. Данный механизм получил название источника тока (генератора).
Силы, разделяющие заряды, называют сторонними. Они характеризуются неэлектрическим происхождением, действуют внутри источника. При разделении зарядов сторонние силы способны создать разность потенциалов между концами цепи.
Природа сторонних сил различна. В гальваническом элементе они являются результатом электрохимических процессов. В машине с постоянным током такой силой является сила Лоренца.
Основные характеристики электрического тока
Условно принято считать направление тока за направление движения положительных частиц. Отсюда следует, что направление тока в металлах характеризуется противоположным направлением относительно направления движения частиц.
Электрический ток обладает силой тока.
Сила тока I – скалярная величина, равняется производной от заряда q по времени для тока, который проходит через поверхность S :
Ток может быть постоянным и переменным. При неизменной силе тока с его направлением по времени ток называют постоянным, а выражение силы тока для него примет вид:
Значение вектора плотности тока по модулю равно:
Представление плотности в металле возможно по формуле:
Закон сохранения заряда
Выражение ( 6 ) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона примет вид:
Основой решения задачи берется определение силы тока в виде:
Напряженность поля равномерно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению:
Связь поверхностной плотности заряда с элементарным зарядом выражается при помощи формулы:
Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры:
Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:
Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:
Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:
Тогда время протекания заряда равняется:
Произведем подстановку и вычислим:
Характеристики тока.
Электрический ток сейчас используют в каждом здании, зная характеристики тока в электросети дома, следует всегда помнить, что он опасен для жизни.
Движение положительных зарядов по полю эквивалентно движению отрицательных зарядов против поля.
Обычно за направление электрического берут направление положительного заряда.
Далее мы рассмотрим такие характеристики тока, как:
Мощность тока.
Мощностью электрического тока называют отношение произведенной током работы ко времени, в течение которого была выполнена это работа.
Мощность, которую развивает электрический ток на участке цепи, прямо пропорциональна величине тока и напряжению на данном участке. Мощность (электрическая и механическая) измеряется в Ваттах (Вт).
Мощность тока не зависит от времени протекания электрического тока в цепи, а определяется как произведение напряжения на силу тока.
Напряжение тока.
Напряжением электрического тока называется величина, которая показывает, какую работу совершило электрическое поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение при этом в различных участках цепи будет отличаться.
К примеру: напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет намного больше, и величина напряжения будет зависеть от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула: U=A/q, где
Сила тока.
Силой тока называют количество заряженных частиц которые протекают через поперечное сечение проводника.
По определению сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
Сопротивление тока.
Электрическим сопротивлением называется физическая величина, которая характеризует свойства проводника, препятствующие прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.
Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиями импеданса и волнового сопротивления. Сопротивление тока (часто обозначается буквой R или r) считается сопротивление тока, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника. Под электрическим сопротивлением понимают отношение напряжения на концах проводника к силе тока, текущего по проводнику.
Условия возникновения электрического тока в проводящей среде:
1) присутствие свободных заряженных частиц;
2) если есть электрическое поле (присутствует разность потенциала между двумя точками проводника).
Виды воздействия электрического тока на проводящий материал.
Главные характеристики тока.
Сила тока определяется амперметром.
Напряжение определяется вольтметром.
3. Сопротивление R проводящего материала.
а) от сечения проводника S, от его длины l и материала (обозначается удельным сопротивлением проводника ρ);
б) от температуры t°С (или Т): R = R0 (1 + αt),
в) для получения различных эффектов, проводники могут соединяться как параллельно, так и последовательно.
Электрический ток и закон Ома
теория по физике 🧲 постоянный ток
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля.
Условия существования электрического тока:
Носители электрического тока в различных средах
| Среда | Носители электрического тока |
| Металлы | Свободные электроны |
| Электролиты (вещества, проводящие ток вследствие диссоциации на ионы) | Положительные и отрицательные ионы |
| Газы | Ионы и электроны |
| Полупроводники | Электроны и дырки (атом, лишенный одного электрона) |
| Вакуум | Электроны |
Электрическая цепь и ее схематическое изображение
Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.
Основные элементы электрической цепи:
Электрическая цепь также может содержать:
Электрическая схема — графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде условных обозначений.
Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи
Простейшая электрическая цепь содержит в себе источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематически ее можно отобразить так:
Направление электрического тока в металлах
По металлическим проводам перемещаются отрицательно заряженные электроны, т.е. ток идет от «–» к «+» источника. Направление движения электронов называют действительным. Но исторически в науке принято условное направление тока от «+» источника к «–».
Действия электрического тока (преобразования энергии)
Электрический ток способен вызывать различные действия:
Основные параметры постоянного тока
Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.
Основными параметрами электрического тока являются:
Сила тока
Сила тока показывает, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:
Заряд, проходящий по проводнику за время t при силе тока, равной I:
Пример №1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 минуты?
2 минуты = 120 секунд
Заряд, проходящий за время ∆t при равномерном изменении силы тока от I1 до I2:
Сила тока и скорость движения электронов:
n — (м –3 ) — концентрация, S (м 2 ) — площадь сечения проводника, v — скорость электронов.
Внимание!
Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙10 8 м/с.
Сопротивление
Сопротивление металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов:
Пример №2. Медная проволока имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Какое электрическое сопротивление имеет медная проволока, у которой в 2 раза больше длина и в 3 раза больше площадь поперечного сечения?
Сопротивление первого и второго проводника соответственно:
Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:
Отсюда сопротивление второго проводника равно:
Напряжение
Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:
Пример №3. Перемещая заряд в первом проводнике, электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении такого же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U1/U2 напряжений на концах первого и второго проводников.
Закон Ома для участка цепи
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:
Иллюстрация закона Ома.
Сила тока направлена в сторону движения заряженных частиц (электронов). Силе тока противостоит сопротивление: чем оно больше, тем меньше сила тока (тем меньше проходит электронов через проводник в единицу времени). Но росту силы тока способствует напряжение, которое словно толкает заряженные частицы, заставляя их упорядоченно перемещаться.
Закон Ома для участка цепи с учетом формулы для расчета сопротивления:
Для сравнения и расчета сопротивления часто используют вольтамперную характеристику. Так называют графическое представление зависимости силы тока от напряжения. Пример вольтамперной характеристики:
Чем круче график, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения величин, указанных на осях.
Пример №4. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции:
Точке графика, соответствующей 5 кВ, соответствует сила тока, равна 20 мА.
Сначала переведем единицы измерения величин в СИ:
При определении сопротивления резистора ученик измерил напряжение на нём: U = (4,6 ± 0,2) В. Сила тока через резистор измерялась настолько точно, что погрешностью можно пренебречь: I = 0,500 А. По результатам этих измерений можно сделать вывод, что сопротивление резистора, скорее всего,
Что такое электрический ток?
Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.
В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.
Электрическую энергию можно доставить практически везде:
Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?
Что такое электрический ток?
Как всё начиналось
Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».
Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.
Рис. 1. Опыт с заряженными телами
Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.
Определение
В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».
Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.
Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.
Рисунок 2. Электрофорная машина
Источники тока
Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.
С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.
Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.
Характеристики
Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.
Сила и плотность тока
Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).
1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).
Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома для участка цепи.
Мощность
Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).
Частота
Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.
Ток смещения
Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.
Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.
Виды тока
По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.
Классификация переменного тока
Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:
Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.
Дрейфовая скорость электронов
Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.
Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.
Направление электрического тока
Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.
Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.
Электрический ток в различных средах
В металлах
Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.
Рис. 3. Электрический ток в металлах
В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.
В полупроводниках
В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).
Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.
В вакууме и газе
Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).
Рис 4. Электрический ток в газах
В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.
Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.
В жидкостях
Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.
Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.
Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).
Рис. 6. Электрический ток в средах
Проводники электрического тока
Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.
Небольшое сопротивление имеют:
На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.
Электробезопасность
Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.
При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.
В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.
Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.