Что обладает упорядоченным движением заряженных частиц

Проверь себя

Задание 1.
Упорядоченное движение заряженных частиц — это:

1. электрическое поле
2. электрический ток
3. электрическая мощность
4. работа тока

Задание 2.
Удельное сопротивление проводника:

1. зависит от температуры
2. не зависит от температуры
3. зависит от силы протекающего через проводник тока
4. не зависит от напряжения

Задание 3.
Формула для расчета силы тока:

1. I = Ut
2. I = UIt
3. I = I 2 Rt
4. \(I = \frac\)

Задание 4.
Что такое мощность электрического тока:

1. работа за единицу времени
2. отношение заряда к единице времени
3. произведение силы тока на сопротивление
4. тепло, выделяемое на резисторе

Задание 5.
Причина электрического сопротивления:

1. во взаимодействии зарядов одинакового знака
2. в отсутствии взаимодействия между зарядами
3. во взаимодействии зарядов разного знака
4. в передаче тепла

Ответы: 1.— 2; 2. — 1; 3.— 4; 4.— 1; 5. — 3.

Инфофиз

Урок 27. Лекция 27-1. Электрический ток, его характеристики. Сопротивление. Закон Ома.

Проводники отличаются от диэлектриков тем, что в них есть свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему проводника.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле , то на свободные заряды qв проводнике будет действовать сила . В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, не скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю.

Однако, в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током.

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.

За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов.

В металлах носителями зарядов являются электроны — отрицательно заряженные частицы, поэтому электрический ток в металлах всегда направлен против дижения электронов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I.

Сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Сила тока численно равна количеству зарядов, прошедших через поперечное сечение проводника за 1 секунду.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике
I — сила тока, S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле.

Единица измерения силы тока в Международной системе единиц СИ ампер [А].

Прибор для измерения силы тока называется амперметр.

Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток.

На схемах электрических цепей амперметр обозначается .

Амперметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. Внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называетсяпостоянным.

Кратковременный ток в проводнике можно получить, если соединить этим проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал. Ток в проводнике исчезнет, когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем и длительное время поддерживать электрическое поле.

Условия существования электического тока:

1. Наличие свободных зарядов внутри проводника,

2. Наличие разности потенциалов на концах проводника (создание электрического поля внутри проводника)

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создается электрическим полём, а оно при этом совершает работу. Работа тока – это работа сил электрического поля, создающего электрический ток.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.

Работа электростатических сил при перемещении единичного заряда равна разности потенциалов Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Величину U₁₂ принято называть напряжением на участке цепи 1–2.

Напряжение – это физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, численно равно работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ₁ в точку с потенциалом φ₂.

В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U₁₂ = φ₁ – φ₂

Единица измерения напряжения в Международной системе единиц СИ вольт [В].

Прибор для измерения напряжения называется вольтметр.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов.

На схемах электрических цепей амперметр обозначается .

Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Аналогично тому, как трение в механике препятствует движению, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника. Причина сопротивления: столкновение свободно движущихся зарядов с ионами кристаллической решетки.

Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом [Ом]. Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Электрическое сопротивление проводника зависит от размеров и формы проводника и от материала, из которого изготовлен проводник.

S – площадь поперечного сечения проводника
l – длина проводника
ρ – удельное сопротивление проводника.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Величину ρ, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением проводника. Оно численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 мм 2 , изготовленного из данного вещества. Единица удельного сопротивления в СИ [1 Ом*м = 1 Ом*мм 2 /м]

Сопротивление проводника зависит и от его состояния, а именно от температуры.

Эта зависимость выражается формулой или

α – температурный коэффициент сопротивления. Для всех чистых металлов .

При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении – уменьшается.

Закон Ома для участка цепи.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными.

Графическая зависимость силы тока I от напряжения U называется вольт-амперная характеристика (сокращенно ВАХ). Она изображается прямой линией, проходящей через начало координат.

По вольт-амперной характеристике проводника можно судить о его сопротивлении: чем больше угол наклона графика к оси напряжения, тем меньше сопротивление проводника.

Что обладает упорядоченным движением заряженных частиц

Упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Различают Э. т. проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды (т. е. внутри макроскопических тел), и Конвекционный ток — движение макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных капель дождя).

О наличии Э. т. в проводниках можно судить по тем действиям, которые он производит: нагреванию проводников, изменению их химического состава, созданию магнитного поля. Магнитное действие тока проявляется у всех без исключения проводников; в сверхпроводниках (См. Сверхпроводники) не происходит выделения теплоты, а химическое действие тока наблюдается преимущественно в электролитах (См. Электролиты). Магнитное поле порождается не только током проводимости или конвекционным током, но и переменным электрическим полем в диэлектриках и вакууме. Величину, пропорциональную скорости изменения электрического поля во времени, Дж. К. Максвелл назвал током смещения (См. Ток смещения). Ток смещения входит в Максвелла уравнения на равных правах с током, обусловленным движением зарядов. Поэтому полный Э. т., равный сумме тока проводимости и тока смещения, может быть определён как величина, от которой зависит интенсивность магнитного поля.

Количественно Э. т. характеризуется скалярной величиной — силой тока (См. Сила тока)1 и векторной величиной — плотностью электрического тока (См. Плотность электрического тока) j. При равномерном распределении плотности тока по сечению проводника сила тока

где q_o — заряд частицы, n — концентрация частиц (число частиц в единице объёма), — средняя скорость направленного движения частиц, S — площадь поперечного сечения проводника.

Для возникновения и существования Э. т. необходимо наличие свободных заряженных частиц (т. е. положительно или отрицательно заряженных частиц, не связанных в единую электрически нейтральную систему) и силы, создающей и поддерживающей их упорядоченное движение. Обычно силой, вызывающей такое движение, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которое определяется электрическим напряжением (См. Электрическое напряжение) на концах проводника. Если напряжение не меняется во времени, то в проводнике устанавливается Постоянный ток, если меняется, — Переменный ток.

Важнейшей характеристикой проводника является зависимость силы тока от напряжения — Вольтамперная характеристика. Она имеет простейший вид для металлических проводников и электролитов: сила тока прямо пропорциональна напряжению (Ома закон).

В зависимости от способности веществ проводить Э. т. они делятся на Проводники, Диэлектрики и Полупроводники. В проводниках имеется очень много свободных заряженных частиц, а в диэлектриках — очень мало. Поэтому сила тока в диэлектриках крайне мала даже при больших напряжениях, и они служат хорошими Изоляторами. Промежуточную группу составляют полупроводники.

В металлах свободными заряженными частицами — носителями тока являются электроны проводимости, концентрация которых практически не зависит от температуры и составляет 10 22 —10 23 см -3 . Их совокупность можно рассматривать как «электронный газ». Электронный газ в металлах находится в состоянии вырождения (см. Вырожденный газ), т. е. в нём отчётливо проявляются квантовые свойства. Квантовая теория металлов (см. Твёрдое тело) объясняет зависимость электрического сопротивления металлов от температуры (линейное увеличение с ростом температуры) и прямую пропорциональность между силой тока и напряжением (см. Металлы).

В электролитах Э. т. обусловлен направленным движением положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются в электролитах в результате электролитической диссоциации (См. Электролитическая диссоциация). С ростом температуры число молекул растворённого вещества, распадающихся на ионы, увеличивается и сопротивление электролитов падает. При прохождении тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются. Масса выделившегося на электродах вещества определяется законами электролиза Фарадея.

Газы из нейтральных молекул являются диэлектриками. Э. т. проводят лишь ионизованные газы — Плазма. Носителями тока в плазме служат положительные и отрицательные ионы (как в электролитах) и свободные электроны (как в металлах). Ионы и свободные электроны образуются в газе в результате сильного нагревания или внешних воздействий (ультрафиолетового излучения (См. Ультрафиолетовое излучение), рентгеновских лучей (См. Рентгеновские лучи), при соударениях быстрых электронов с нейтральными атомами или молекулами и т. д.; см. Ионизация).

Э. т. в электровакуумных приборах (электронных лампах, электроннолучевых трубках и т. д.) создаётся потоками электронов, испускаемых нагретым электродом — катодом (см. Термоэлектронная эмиссия). Электроны ускоряются электрическим полем и достигают другого электрода — анода.

В полупроводниках носителями тока являются электроны и дырки (См. Дырка).

Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976, гл. 3, 6; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики), гл. 6, 14—16, 18.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

[electric current] — упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макротел. За направление тока принимаю направление движения положительно заряженных частиц; если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считается противоположным направлению движения частиц. Различают электрический ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды (т.е. внутри макротел) и конвекционный ток — движение заряженных макротел как целого. Для возникновения и существования электрического тока необходимы свободно заряженн частицы (т.е. не связанные в единую электрически нейтральную систему) и сила, создающая и поддерживающая их упорядоченное движение. Обычно такое движение, вызывается электрическое поле внутри проводника, которое определяется электрическим напряжением на концах проводника. Если напряжение постоянное, то в проводнике устанавливается постоянный ток, если переменно — переменный ток. Для металлических проводников и электролитов сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).В металлах свободно заряженными частицами — носителями тока являются электроны проводимости, концентрация которых практически не зависит от температуры и составляет 10²² — 10₂₃ см^-3. В электролитах электрический ток обусловливает движение положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются в электролитах в результате электролитической диссоциации. Газы из нейтральных молекул являются диэлектриками. Электрический ток проводят лишь ионизированные газы — плазма. Носителями тока в плазме служат положительно и отрицательно ионы (как в электролитах) и свободные электроны (как в металлах). Электрический ток в электровакуумных приборах (электронных лампах, электроннолучевых трубках и др.) создается потоками испускаемыми нагретым электродом — катодом электронов, которые ускоряются электрическим полем и достигают другого электрода — анода.<br>Смотри также:<br> — Ток<br> — критический ток в сверхпроводниках<br> — конвекционный ток<br> — постоянный ток<br> — переменный ток<br>. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

электри́ческий ток всякое упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц (электронов, ионов и других носителей заряда). Одной . смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

всякое упорядоченное движение электрич. зарядов (заряж. частиц или тел). По физ. природе различают: 1) Э. т. проводимости — упорядоченное движение носи. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК (обозначение I), движение ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ, обычно — поток ЭЛЕКТРОНОВ по ПРОВОДНИКУ или ионов по ЭЛЕКТРОЛИТУ либо в газовой сред. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

▲ поток ↑ заряд электрический ток — поток эфира; движение зарядов.проводники — вещества, содержащие свободные заряженные частицы.электрическая цепь.о. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОКдвижение электричества от положительного полюса гальваническ. элемента или батареи к отрицательному по сомкнутому проводнику (см. ЭЛЕК. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

". Электрический ток — явление направленного движения носителей электрических зарядов и (или) явление изменения электрического поля во времени, сопров. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

1. Явление направленного движения носителей электрических зарядов и (или) явление изменения электрического поля во времени, сопровождаемые магнитным полем Употребляется в документе: ГОСТ Р 52002-2003 Электротехника. Термины и определения основных понятий Телекоммуникационный словарь.2013. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК, направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Характеризуется направлением и силой тока. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. <br>. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

направленное (упорядоченное) движение заряж. частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление Э. т. принимают направление движения положит. заряд. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК, направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов.<br><br><br>. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов.<br>. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК , направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК, направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

— направленное (упорядоченное) движение заряженныхчастиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического токапринимают направление движения положительных зарядов. смотреть

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

electric current, current, current [dynamic] electricity, current flow, juice

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

electric current, current, dynamic electricity, flow of electricity, current flow, flow, juice

2. Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода), имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных частиц вещества — ионов, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд — в электролитах (проводники второго рода), либо направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных газах (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условно принято направление движения положительно заряженных частиц.

Для существования электрического тока в веществе необходимо:

наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля:

наличие источника тока, создающего и поддерживающего в проводнике в течение длительного времени электрическое поле;

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

Сила тока — скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

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

Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10-7 Η на каждый метр длины проводников.

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы q0. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд

Рис. 1

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов , то за промежуток времени все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов при максимально допустимых значениях силы тока

10-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).

Как следует из формулы (1), . Направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Чтобы найти момент инерции тела, надо просуммировать момент инерции всех материальных точек, составляющих данное тело

В общем случае, если тело сплошное, оно представляет собой совокупность множества точек с бесконечно малыми массами , и моменты инерции тела определяется интегралом

о где — расстояние от элемента до оси вращения.

Распределение массы в пределах тела можно охарактеризовать с помощью плотности

где m — масса однородного тела, V — его объем. Для тела с неравномерно распределенной массой это выражение даетсреднюю плотность.

Плотность в данной точке в этом случае определяется следующим образом

Пределы интегрирования зависят от формы и размеров тела Интегрирование уравнения (5.5) наиболее просто осуществить для тех случаев, когда ось вращения проходит через центр тяжести тела. Рассмотрим результаты интегрирования для простейших (геометрически правильных) форм твердого тела, масса которого равномерно распределена по объему.

Момент инерции полого цилиндра с тонкими стенками, радиуса R.

Для полого цилиндра с тонкими стенками

Сплошной однородный диск. Ось вращения является осью диска радиуса . и массы m с плотностью Высота диска h. Внутри диска на расстоянии вырежем пустотелый цилиндр с толщиной стенки и массой. Для него

Весь диск можно разбить на бесконечное множество цилиндров, а затем просуммировать:

Момент инерции шара относительно оси, проходящей через центр тяжести.

Момент инерции стержня длиной L и массой m относительно оси, проходящей:

а) через центр стержня —

б) через начало стержня —

Теорема Штейнера. Имеем тело, момент инерции которого относительно оси, проходящей через его центр масс известен. Необходимо определить момент инерции относительно произвольно оси параллельной оси . Согласно теореме Штейнера, момент инерции тела относительно произвольной оси равен сумме момента инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс и параллельной данной оси, плюс произведение массы тела на квадрат расстояния между осями:

SA. Электрический ток

в плазме — направленное движение электронов и ионов обоих знаков (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условились считать направление движения положительно заряженных частиц.

Движение заряженных частиц внутри проводника нельзя наблюдать, но судить о наличии электрического тока можно по его действиям:

1. тепловому — проводник с током нагревается;
2. магнитному — вокруг проводника с током возникает магнитное поле;
3. световому — проводник с током может светиться;
4. химическому — в проводнике с током изменяется химический состав (такие проводники называются проводниками второго класса).

Для продолжительного существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо выполнение следующих условий:

1. наличие свободных заряженных частиц (носителей тока);
2. наличие электрического поля, силы которого, действуя на заряженные частицы, заставляют их двигаться упорядоченно;
3. наличие источника тока, внутри которого сторонние силы перемещают свободные заряды против электростатических (кулоновских) сил.

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

• Сила тока — скалярная физическая величина, равная отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку:

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

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

• Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника:

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м 2 ).

*Зависимость силы тока от скорости зарядов

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы q₀. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится n∙S∙Δl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд \(

\Delta q = q_0 \cdot n \cdot S \cdot \Delta l\).

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов \(

\left\langle \upsilon \right\rangle\), то за промежуток времени \(

\Delta t = \dfrac \) все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов \(

\left\langle \upsilon \right\rangle\) при максимально допустимых значениях силы тока

10 -4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения

Как следует из формулы (1), плотность тока \(

\vec j = q_0 \cdot n \cdot \left\langle \vec \upsilon \right\rangle\).

Направление вектора плотности тока \(

\vec j\) совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения \(

Источник тока

Для поддержания в цепи электрического тока необходимо, чтобы на концах ее (рис. 2) существовала постоянная разность потенциалов φ₁ – φ₂. Пусть в начальный момент времени φ₁ > φ₂, тогда перенос положительного заряда q от клеммы источника «+» к клемме «–» приведет к уменьшению разности потенциалов между ними . Для сохранения постоянной разности потенциалов необходимо перенести точно такой же заряд от клеммы «–» к клемме «+». Если в направлении от «+» к «–» положительные заряды движутся под действием сил кулоновских сил F_k, то в направлении от «–» к «+» перемещение зарядов происходит против направления действия кулоновских сил, т.е. под действием другой силы F_ст, которая называется сторонней силой.

• Сторонние силы — это любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электростатических (кулоновских) сил.

Сторонние силы возникают в источнике тока.

• Источник тока — это устройство, способное поддерживать разность потенциалов между концами электрической цепи и обеспечивать упорядоченное движение электрических зарядов во внешней цепи.

Источники электрического тока могут быть различны по своей конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделение зарядов происходит под действием сторонних сил. Перечислим наиболее распространенные источники тока:

1. гальванические элементы (батарейки) (рис. 3, а) и аккумуляторы — сторонние силы используют энергию химических реакций;
2. генераторы (динамо-машины) — сторонние силы используют механическую энергию падающей воды, ветра, пара и т.п.;
3. фотоэлементы (солнечные батареи) (рис. 3, б) — сторонние силы используют энергию электромагнитных излучений (света).

Источник электрического тока имеет два полюса (две клеммы), к которым присоединяются концы проводов.

Проводник, соединяющий клеммы источника снаружи, называют внешним участком цепи. Сопротивление этого источника обозначают R и называют внешним сопротивлением.

Внутри самого источника заряды движутся по внутреннему участку цепи. Сопротивление источника обозначают r и называют внутренним сопротивлением.

Сумма внешнего и внутреннего соспротивлений (R + r) называют полным сопротивлением цепи.

На электрических схемах источник тока обозначается так, как показано на рис. 4. Положительный полюс (клемма) источника условно изображается более длинной чертой, чем отрицательный.

Любой источник тока характеризуют электродвижущей силой — ЭДС.

• ЭДС (Электродвижущей силой) ε источника тока называют физическую скалярную величину, численно равную работе сторонних сил A_st по перемещению единичного положительного заряда внутри источника тока:

Единицей электродвижущей силы в СИ является вольт (В).

ЭДС является энергетической характеристикой источника тока.

• Термин «электродвигающая сила» был введен Ампером в 1822 г. Аббревиатуру ЭДС принято читать без расшифровки.

См. также

Все о химических источниках тока

Закон Ома для замкнутой цепи

Рассмотрим простейшую полную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС ε с внутренним сопротивлением r подключенный к ним резистор сопротивлением R (рис. 5).

• Данная формула представляет собой закон Ома для полной цепи: Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Заметим, что максимально возможный ток в цепи с данным источником тока возникает в том случае, если сопротивление внешней цепи стремится к нулю.

Подключение к полюсам источника тока проводника с ничтожно малым сопротивлением называется коротким замыканием, а максимальную для данного источника силу тока называют током короткого замыкания:

У источников с малым значением r (например, у свинцовых аккумуляторов r = 0,1 — 0,01 Ом) сила тока короткого замыкания очень велика. Особенно опасно короткое замыкание в осветительных сетях, питаемых от подстанций (ε > 100 В), I_kz может достигнуть тысячи ампер. Чтобы избежать пожаров, в такие цепи включают предохранители.

*Вывод закона Ома

Рассмотрим простейшую полную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС ε с внутренним сопротивлением r подключенный к ним резистор сопротивлением R (см. рис. 5).

Из определений силы тока и ЭДС источника тока следует, что совершаемая источником работа

\(A_ =\varepsilon \cdot \Delta q=\varepsilon \cdot I\cdot \Delta t.\)

При прохождении тока проводники нагреваются, при этом выделяется энергия как во внешней цепи Q1, так и во внутренней цепи Q2. Тогда количество теплоты Q, выделившаяся во всей полной цепи, равна сумме этих энергий. По закону Джоуля-Ленца

\(Q=Q_ +Q_ =I^ \cdot R\cdot \Delta t+I^ \cdot r\cdot \Delta t=I^ \cdot \left(R+r\right)\cdot \Delta t.\)

Из закона сохранения энергии получаем, что в такой цепи работа сторонних сил за промежуток времени Δt равна выделившемуся в цепи количеству теплоты:

КПД источника тока

Для замкнутой цепи, мощность P_p, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной мощностью. Она равна

С учетом закона Ома для участка цепи \(

I = \dfrac \) полезную мощность можно найти, если известны любые две величины из трех: I, U, R.

Для замкнутой цепи, мощность P_t, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника, называется теряемой мощностью. Она равна

Полная мощность P источника тока равна

P = P_p + P_t = I^2 \cdot R + I^2 \cdot r = I^2 \cdot \left( R + r \right). \)

Упорядоченное движение заряженных частиц: понятие и характеристики

Огромное множество физических явлений как микроскопического, так и макроскопического характера имеют электромагнитную природу. К ним относятся силы трения и упругости, все химические процессы, электричество, магнетизм, оптика.

Одно из таких проявлений электромагнитного взаимодействия – упорядоченное движение заряженных частиц. Оно представляет собой совершенно необходимый элемент практически всех современных технологий, находящих применение в самых различных областях – от организации нашего быта до космических полетов.

Общее понятие о феномене

Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Такое перемещение зарядов может осуществляться в разных средах посредством тех или иных частиц, иногда – квазичастиц.

Обязательным условием тока является именно упорядоченное, направленное движение. Заряженные частицы — это объекты, которые (как, впрочем, и нейтральные) обладают тепловым хаотическим движением. Однако ток возникает, только когда на фоне этого непрерывного беспорядочного процесса происходит общее перемещение зарядов в некотором направлении.

При движении какого-либо тела, в целом электрически нейтрального, частицы в составе его атомов и молекул, конечно, движутся направленно, но, поскольку разноименные заряды в нейтральном объекте компенсируют друг друга, никакого переноса заряда нет, и говорить о токе в этом случае также не имеет смысла.

Как возникает ток

Рассмотрим простейший вариант возбуждения постоянного тока. Если к среде, где в общем случае присутствуют носители зарядов, приложить электрическое поле, в ней начнется упорядоченное движение заряженных частиц. Явление называется дрейфом зарядов.

Вкратце его можно описать следующим образом. В различных точках поля возникает разность потенциалов (напряжение), то есть энергия взаимодействия электрических зарядов, расположенных в этих точках, с полем, отнесенная к величине этих зарядов, будет различной. Поскольку всякая физическая система, как известно, стремится к минимуму потенциальной энергии, отвечающему равновесному состоянию, заряженные частицы начнут движение, направленное к выравниванию потенциалов. Иначе говоря, поле совершает некоторую работу по перемещению этих частиц.

Когда потенциалы выравниваются, обращается в нуль напряженность электрического поля – оно исчезает. Вместе с тем прекращается и упорядоченное движение заряженных частиц – ток. Для того чтобы получить стационарное, то есть не зависящее от времени, поле, необходимо использовать источник тока, в котором, благодаря выделению энергии в тех или иных процессах (например, химических), заряды непрерывно разделяются и поступают на полюса, поддерживая существование электрического поля.

Ток можно получать различными способами. Так, изменение магнитного поля воздействует на заряды во внесенном в него проводящем контуре и вызывает их направленное движение. Такой ток называется индукционным.

Количественные характеристики тока

Главный параметр, с помощью которого ток описывают количественно, – это сила тока (иногда говорят «величина» или просто «ток»). Она определяется как количество электричества (величина заряда или число элементарных зарядов), проходящее за единицу времени сквозь некоторую поверхность, обычно через сечение проводника: I = Q/t. Измеряется ток в амперах: 1 А = 1 Кл/с (кулон в секунду). На участке электрической цепи сила тока прямой зависимостью связана с разностью потенциалов и обратной – с сопротивлением проводника: I = U/R. Для полной цепи эта зависимость (закон Ома) выражается как I = Ԑ/R+r, где Ԑ — электродвижущая сила источника и r – его внутреннее сопротивление.

Отношение силы тока к сечению проводника, через который происходит перпендикулярно ему упорядоченное движение заряженных частиц, называют плотностью тока: j = I/S = Q/St. Данная величина характеризует количество электричества, которое протекает за единицу времени через единицу площади. Чем выше напряженность поля E и электропроводность среды σ, тем больше и плотность тока: j = σ∙E. В отличие от силы тока, эта величина — векторная, и имеет направление по движению частиц, несущих положительный заряд.

Направление тока и направление дрейфа

В электрическом поле объекты, переносящие заряд, под действием кулоновских сил будут совершать к противоположному по знаку заряда полюсу источника тока упорядоченное движение. Частицы, заряженные положительно, дрейфуют в сторону отрицательного полюса («минуса») и, наоборот, свободные отрицательные заряды притягиваются к «плюсу» источника. Частицы могут перемещаться и в двух противоположных направлениях сразу, если в проводящей среде присутствуют носители зарядов обоих знаков.

По историческим причинам принято считать, что ток направлен так, как движутся положительные заряды – от «плюса» к «минусу». Чтобы избежать путаницы, следует помнить, что хотя в наиболее знакомом всем нам случае тока в металлических проводниках реальное перемещение частиц – электронов – происходит, конечно, в обратном направлении, указанное условное правило действует всегда.

Распространение тока и дрейфовая скорость

Нередко возникают проблемы и с пониманием того, насколько быстро движется ток. Не следует путать два разных понятия: скорость распространения тока (электрического сигнала) и скорость дрейфа частиц – носителей зарядов. Первое – это скорость, с которой передается электромагнитное взаимодействие или — что то же самое — распространяется поле. Она близка (с учетом среды распространения) к скорости света в вакууме и составляет почти 300 000 км/с.

Частицы же совершают свое упорядоченное движение очень медленно (10 -4 –10 -3 м/с). Дрейфовая скорость зависит от напряженности, с которой действует на них приложенное электрическое поле, но во всех случаях она на несколько порядков уступает скорости теплового беспорядочного движения частиц (10 5 –10 6 м/с). Важно понимать, что под действием поля начинается одновременный дрейф всех свободных зарядов, поэтому ток возникает сразу во всем проводнике.

Виды тока

В первую очередь токи различают по поведению носителей заряда во времени.

• Постоянным называют ток, не изменяющий ни величину (силу), ни направление перемещения частиц. Это самый простой вариант перемещения заряженных частиц, и с него всегда начинают изучение электрического тока.
• У переменного тока эти параметры изменяются во времени. В основе его генерирования лежит явление электромагнитной индукции, возникающей в замкнутом контуре, благодаря изменению (вращению) магнитного поля. Электрическое поле в этом случае периодически меняет вектор напряженности на противоположный. Соответственно, изменяются знаки потенциалов, а величина их проходит от «плюса» до «минуса» все промежуточные значения, в том числе и нулевое. В результате этого явления упорядоченное движение заряженных частиц все время меняет направление. Величина такого тока колеблется (обычно синусоидально, то есть гармонически) от максимума до минимума. Переменный ток имеет такую важную характеристику скорости этих колебаний, как частота – количество полных циклов изменения в секунду.

Помимо этой важнейшей классификации, различия между токами можно проводить и по такому критерию, как характер движения носителей заряда по отношению к среде, в которой ток распространяется.

Токи проводимости

Наиболее известный пример тока – это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля внутри какого-либо тела (среды). Оно именуется током проводимости.

В твердых телах (металлы, графит, многие сложные материалы) и некоторых жидкостях (ртуть и другие расплавы металлов) электроны являются подвижными заряженными частицами. Упорядоченное движение в проводнике – это их дрейф относительно атомов или молекул вещества. Проводимость такого рода называют электронной. В полупроводниках перенос зарядов также происходит за счет движения электронов, но по ряду причин удобно пользоваться для описания тока понятием дырки – положительной квазичастицы, представляющей собой перемещающуюся электронную вакансию.

В электролитических растворах прохождение тока осуществляется за счет движущихся к разным полюсам – аноду и катоду – отрицательных и положительных ионов, входящих в состав раствора.

Токи переноса

Газ – в обычных условиях диэлектрик – также может стать проводником, если подвергнуть его достаточно сильной ионизации. Газовая электропроводность носит смешанный характер. Ионизированный газ уже представляет собой плазму, в которой перемещаются и электроны, и ионы, то есть все заряженные частицы. Упорядоченное движение их формирует плазменный канал и называется газовым разрядом.

Направленное перемещение зарядов может происходить не только внутри среды. Допустим, в вакууме движется пучок электронов или ионов, испускаемых с положительного или отрицательного электрода. Это явление носит название электронной эмиссии и широко используется, к примеру, в вакуумных приборах. Безусловно, такое движение представляет собой ток.

Еще один случай – перемещение электрически заряженного макроскопического тела. Это – тоже ток, поскольку подобная ситуация удовлетворяет условию направленного переноса зарядов.

Все приведенные примеры необходимо рассматривать как упорядоченное движение заряженных частиц. Называется такой ток конвекционным или током переноса. Его свойства, например, магнитные, совершенно аналогичны таковым у токов проводимости.

Ток смещения

Существует явление, не имеющее отношения к переносу зарядов и возникающее там, где наличествует изменяющееся во времени электрическое поле, которое обладает свойством, присущим «настоящим» токам проводимости или переноса: оно возбуждает переменное магнитное поле. Это происходит, например, в цепях переменного тока между обкладок конденсаторов. Явление сопровождается передачей энергии и называется током смещения.

По сути, данная величина показывает, как быстро изменяется индукция электрического поля на некоторой поверхности, перпендикулярной к направлению ее вектора. Понятие электрической индукции включает в себя векторы напряженности поля и поляризации. В вакууме учитывается только напряженность. Что же касается электромагнитных процессов в веществе, то поляризация молекул или атомов, в которых при воздействии поля имеет место движение связанных (не свободных!) зарядов, вносит некоторый вклад в ток смещения в диэлектрике или проводнике.

Название возникло в XIX веке и носит условный характер, так как действительный электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ток смещения с дрейфом зарядов никак не связан. Поэтому он, строго говоря, током не является.

Проявления (действия) тока

Упорядоченное движение заряженных частиц всегда сопровождается теми или иными физическими явлениями, по которым, собственно, и можно судить о том, протекает данный процесс или нет. Можно разделить такие явления (действия тока) на три основных группы:

• Магнитное действие.Движущийся электрический заряд обязательно создает магнитное поле. Если поместить компас рядом с проводником, по которому протекает ток, стрелка совершит поворот перпендикулярно направлению этого тока. На основе данного явления действуют электромагнитные устройства, позволяющие, например, преобразовать электрическую энергию в механическую.
• Тепловое действие. Ток совершает работу по преодолению сопротивления проводника, результатом чего становится выделение тепловой энергии. Это происходит потому, что при дрейфе заряженные частицы испытывают рассеяние на элементах кристаллической решетки или молекулах проводника и отдают им кинетическую энергию. Если бы решетка, скажем, металла, была идеально правильной, электроны практически не замечали бы ее (это следствие волновой природы частиц). Однако, во-первых, атомы в узлах решетки сами подвержены тепловым колебаниям, нарушающим ее правильность, а во-вторых, дефекты решетки – примесные атомы, дислокации, вакансии – тоже влияют на движение электронов.
• Химическое действие наблюдается в электролитах. Разноименно заряженные ионы, на которые диссоциирован электролитический раствор, при наложении электрического поля разводятся на противоположные электроды, что приводит к химическому разложению электролита.

За исключением случаев, когда упорядоченное движение заряженных частиц является предметом научных исследований, оно интересует человека в своих макроскопических проявлениях. Важен для нас не ток сам по себе, а перечисленные выше явления, которое он вызывает, благодаря превращениям электрической энергии в другие виды.

Все действия тока играют двоякую роль в нашей жизни. В одних случаях от них необходимо защищать людей и технику, в других – получение того или иного эффекта, вызываемого направленным переносом электрических зарядов, является прямым назначением самых разнообразных технических устройств.