Условия существования электрического тока

Для начала ответим себе на вопрос, что такое электрический ток. Простая батарейка, стоящая на столе, сама по себе ток не создает. И фонарик, лежащий на столе, ток через свои светодиоды просто так, ни с того ни с сего, не создаст. Чтобы появился ток, что-то куда-то должно потечь, хотя бы начать двигаться, а для этого цепь из светодиодов фонарика и батарейки необходимо замкнуть. Не даром, в былые времена электрический ток сравнивали с движением некой заряженной жидкости.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц

Итак, электрический ток — это движение заряженных частиц, но даже хаотичное движение заряженных частиц — это тоже движение, однако оно еще не является током. Так и молекулы жидкости, все время пребывающие в тепловом движении, течения не создают, ведь суммарное перемещение всего объема покоящейся жидкости ровно нулю.

Чтобы возникло течение жидкости, должно возникнуть суммарное перемещение, то есть общее движение молекул жидкости должно стать направленным. Так хаотичное движение молекул сложится с направленным движением всего объема, и возникнет течение всего объема жидкости.

Аналогично обстоит дело и с электрическим током — направленное движение электрически заряженных частиц — есть электрический ток. Скорость теплового движения заряженных частиц, например в металле, измеряется сотнями метров в секунду, однако при направленном движении, когда в проводнике установлен какой-то определенный ток, скорость общего движения частиц измеряется долями и единицами миллиметров в секунду.

Так, если в металлическом проводнике сечением 1 кв.мм течет постоянный ток равный 10 А, то средняя скорость упорядоченного движения электронов составит от 0,6 до 6 миллиметров в секунду. Это уже будет электрическим током. И этого медленного движения электронов достаточно, чтобы проводник, например из нихрома, неплохо разогрелся, повинуясь закону Джоуля-Ленца.

Скорость частиц — это не скорость распространения электрического поля!

Отметим, что ток начинается в проводнике почти мгновенно по всему объему, то есть распространяется это «движение» по проводнику со скоростью света, а вот движение непосредственно самих заряженных частиц в 100 миллиардов раз медленнее. Можно рассмотреть аналогию с трубой, по которой течет жидкость.

Движется по трубе, 10 метров длиной, например вода. Скорость воды всего 1 метр в секунду, но течение распространяется не с этой же скоростью, а значительно быстрее, и скорость распространения зависит здесь от плотности жидкости и от ее упругости. Так и по проводнику электрическое поле распространяется со скоростью света, а частицы начинают двигаться на 11 порядков медленнее. Смотрите также: Скорость электрического тока

1. Для существования электрического тока необходимы заряженные частицы

Электроны в металлах и в вакууме, ионы в растворах электролитов — служат носителями заряда и обеспечивают наличие тока в разных веществах. В металлах электроны очень подвижны, некоторые из них свободно могут двигаться от атома к атому, словно газ заполняя пространство между узлами кристаллической решетки.

В электронных лампах электроны покидают катод в процессе термоэлектронной эмиссии, устремляясь под действием электрического поля к аноду. В электролитах молекулы распадаются в воде на положительно и отрицательно заряженные части, и становятся ионами — свободными носителями заряда в электролитах. То есть везде, где может существовать электрический ток, есть свободные носители заряда, способные перемещаться под действием электрического поля. Это и есть первое условие существования электрического тока — наличие свободных носителей заряда.

2. Второе условие существования электрического тока — на заряд должны действовать сторонние силы

Если теперь взглянуть на проводник, допустим это медный провод, то можно задаться вопросом: а что нужно для того, чтобы электрический ток в нем возник? Заряженные частицы, электроны, есть, они способны свободно перемещаться.

Что заставит их двигаться? Известно, что электрически заряженная частица взаимодействует с электрическим полем. Следовательно в проводнике необходимо создать электрическое поле, тогда в каждой точке проводника возникнет потенциал, между концами проводника будет иметь место разность потенциалов, и электроны придут в движение по направлению поля — по направлению от «-» к «+», то есть в направлении против вектора напряженности электрического поля. Электрическое поле станет ускорять электроны, увеличивая их (кинетическую и магнитную) энергию.

В итоге, если мы рассматриваем просто приложенное снаружи к проводнику электрическое поле (поместили проводник в электрическое поле вдоль силовых линий), то электроны станут скапливаться у одного конца провода, и на этом конце возникнет отрицательный заряд, а поскольку с другого конца провода электроны сместились, то на нем будет иметь место заряд положительный.

В результате электрическое поле проводника, заряженного приложенным снаружи электрическим полем, будет такого направления, чтобы своим действием ослаблять внешнее электрическое поле.

Процесс перераспределения зарядов протечет почти мгновенно, и по его завершении ток в проводнике прекратится. Результирующее электрическое поле внутри проводника станет равным нулю, а напряженность по краям окажется равной по модулю, но противоположной по направлению к приложенному снаружи электрическому полю.

Если электрическое поле в проводнике создается источником постоянного тока, например батарейкой, то такой источник станет для проводника источником сторонних сил, то есть тем источником, который создаст в проводнике постоянную ЭДС, и будет поддерживать разность потенциалов. Очевидно, чтобы ток источником сторонних сил поддерживался, цепь должна быть замкнутой.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Условия существования электрического тока

Сегодня нам трудно представить, как раньше люди могли обходиться без электричества. В настоящее время электричество стало частью нашей жизни. Множество электрических приборов, делающих нашу жизнь комфортной, подключаются к домашней электрической сети.

Мы не можем видеть движение электронов в проводнике, но их упорядоченное движение проявляется очень наглядно.

О том, что в проводнике протекает электрический ток, можно судить по его тепловому (1), химическому (2)или магнитному (3) действию.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Такими заряженными частицами в металлах являются свободные электроны, покинувшие внешние оболочки атомов. Свободные электроны, подобно молекулам идеального газа, беспорядочно движутся между атомами и ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки.

Для возникновения электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле, которое поддерживается источниками электрического тока.

Таки образом, для существования тока в проводнике необходимы следующие условия:

1. Наличие свободных электронов.

2. Постоянно поддерживающееся в проводнике электрическое поле.

Источник

11 класс
Электродинамика (продолжение)

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).

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).

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).

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 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,

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:

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)?

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 ∙ 10 20 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?

Источник

Урок 4. Условия существования электрического тока

И снова доброго времени суток вам, уважаемые. Без лишних прелюдий начнём наш сегодняшний разговор. Казалось бы, с причинами возникновения тока в проводнике мы давно разобрались. Поместили проводник в поле – побежали электроны, возник ток. Что еще надо. Но оказывается, чтобы этот ток существовал в проводнике постоянно, необходимо соблюдать некоторые условия. Для более ясного понимания физики процесса протекания электрического тока в проводнике рассмотрим пример.

Предположим, что у нас имеется некоторый проводник, который мы поместим в электрическое поле как показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Проводник в электрическом поле

Условно обозначим величину напряженности на концах проводника как E₁и E₂, причем E₁>E₂. Как мы выяснили ранее, свободные электроны в проводнике начнут двигаться в сторону большей напряженности поля, то есть в точку А. Однако со временем потенциал, образованный скоплением электронов в точке А станет таким, что создаваемое им собственное электромагнитное поле E₀ сравняется по модулю с внешним полем, причем направления полей будут противоположными, поскольку потенциал точки В – более положительный (недостаток электронов, вызванный воздействием внешнего поля).

Поскольку результирующее действие двух одинаковых противоположных сил равно нулю: |E|+|(E₀)|=0, электроны прекращают упорядоченное движение, электрический ток прекращается. Для того, чтобы поток электронов был непрерывный необходимо: во-первых, приложить дополнительную силу не потенциального характера, которая бы компенсировала влияние собственного электрического поля проводника и, во-вторых, создать замкнутый контур, поскольку перемещение электронов может происходить только в проводниках (ранее мы указали, что диэлектрики хоть и имеют некоторую электропроводность, но не пропускают электрический ток) и для обеспечения постоянства компенсирующей силы необходимо постоянство полей: как внешнего так и собственного.

Начнём разбираться со второго пункта. Будем рассматривать проводник, помещенный в поле, как показано на рисунке 4.2. Предположим, что после того, как взаимодействие внешнего и собственного электромагнитных полей было скомпенсировано, мы приложили дополнительно к внешнему полю еще одно такое же поле. Суммарное действие внешнего поля составит 2•|E|. Ток в проводнике продолжит течь в том же направлении, однако ровно до того момента, пока 2•|E|>|E₀|, после чего электрический ток вновь прекратиться. То есть внешнее воздействие должно увеличиваться непрерывно для обеспечения протекания тока в разомкнутом проводнике, что невозможно.
Если замкнуть проводник так, чтобы одна его часть лежала вне поля, тогда за счет работы дополнительной силы помимо внешнего поля (эта сила в таком случае должна быть не потенциальной, поскольку работа потенциальной силы в замкнутом контуре равна нулю и не зависит от формы траектории), то в проводнике возникнет электрический ток, обусловленный влиянием только внешнего поля, поскольку собственно поле проводника будет полностью скомпенсировано. Именно поэтому любая электрическая цепь всегда должна быть замкнутой.

Можно попробовать объяснить необходимость введения дополнительной силы из такого соображения: если бы мы могли заряды с конца В проводника частично перебрасывать на конец А проводника, электрический ток бы так же не прекращался. Однако, на такое «десантирование» так же требуется энергия. Значит, введение дополнительной силы всё равно необходимо. Не потенциальные силы так же называют сторонними силами. А их источники – источниками или генераторами тока.

Рисунок 4.2 – Возникновение собственного электромагнитного поля в проводнике

Так где же взять дополнительную силу, которая, притом, не должна быть создана полем, ведь без нее тока мы не получим? Оказывается, во время протекания химической восстановительно-окислительной реакции, например, взаимодействие диодксида свинца и разбавленной серной кислоты, происходит высвобождение свободных электронов:

Для того, чтобы «притянуть» все электроны, высвобожденные в процессе реакции к одной точки пространства, в раствор серной кислоты помещается несколько свинцовых решёток, называемых электродами. Одна часть электродов изготавливается из свинца и называется катод, другая – анод – изготавливается из диоксида свинца. Катод является источником свободных электродов для внешней цепи, а анод – приемником.

Приведённый пример соответствует известному всем автомобилистам (да и не только) устройству – свинцово-кислотному аккумулятору. Конечно, приведенный пример мало совпадает с тем, что происходит внутри аккумулятора в действительности, однако, суть возникновения тока отражает хорошо. Таким образом, между положительным анодом (мало электронов) и отрицательным катодом (много электронов) возникает электрическое поле, которое формирует сторонние силы и создаёт ток в проводнике. Эта сила зависит только от протекания химической реакции, то она практически постоянная до того момента, пока существуют элементы этой реакции – кислота и оксид свинца. Следовательно, если мы уберём электрическое поле и подключим проводник к аноду и катоду, электрический ток всё равно будет протекать из-за того, что аккумулятор создаёт стороннюю силу. Проводник будет иметь вокруг себя собственное электрическое поле, которое нужно преодолеть аккумулятору, чтобы перенести электрон от катода к аноду. В этом и есть суть сторонней силы.

Теперь рассмотрим ситуация с аккумулятором и подключенным к нему проводником.Электрическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда (мы говорим именно о положительных зарядах, так как направлению их движения соответствует направление тока) в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов – на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательные. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.

На рисунке 4.3 показано направление протекания тока Iв проводнике, подключенному к аккумулятору – от положительного анода к отрицательному катоду, однако внутри аккумулятора сторонние силы химической реакции производят «десантирование» электронов, пришедших из внешней цепи с анода на катод и положительных ионов с катода на анод, то есть действуют против направления движения тока и направления поля.

Рисунок 4.3 – Демонстрация сторонних сил при возникновении электрического тока

Из сделанных выше соображений можно сделать следующий вывод: силы, действующие на заряд внутри источника тока отличны от сил, действующий внутри проводника. Соответственно, необходимо эти силы отличать друг от друга. Для характеристики сторонних сил была введена величина электродвижущей силы (ЭДС) – работы, совершаемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда.Обозначается латинской буквой &#949 («эпсилон») и измеряется так же, как и разность потенциалов – в вольтах.

Поскольку разность потенциалов и ЭДС являются силами различного типа, можно говорить о том, что ЭДС вне выводов источника равно нулю. Хотя в обычной жизни этими тонкостями пренебрегают и говорят: «Напряжение на батарее 1.5В», хотя строго говоря напряжение на участке цепи – суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. В будущем мы еще будем сталкиваться с этими понятиями и они пригодятся нам при расчете сложных электрических цепей.

На этом, пожалуй всё, потому что урок получился чересчур нагруженным… Но понятия напряжение и ЭДС нужно уметь отличать.

Задачек на этот раз не будет, лучше лишний повторить этот урок, чтобы понимать всю физику протекания тока в проводнике. Как всегда любые возникшие вопросы, предложения и пожелания можете оставлять в комментариях ниже! До новых встреч!

Источник