Электрический ток
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Заряженные частицы в твердых веществах, например, металлах — это электроны, в жидких (электролитах) — ионы (анионы и катионы), в плазме и газах — электроны и положительные ионы, в полупроводниках — электроны и так называемые дырки.
Проводники, полупроводники и изоляторы
Не все тела одинаково проводят электричество. Тела, хорошо проводящие электричество, называются ПРОВОДНИКАМИ, а плохо проводящими электричество – ИЗОЛЯТОРАМИ или ДИЭЛЕКТРИКАМИ. Существует и промежуточная группа тел, обладающая слабой способностью проводить электричество – ПОЛУПРОВОДНИКИ.
Поэтому абсолютно естественно, что провод, которым монтируется электрика в доме состоит из металлической части, как правило, меди или алюминия, обернутой в резиновое изоляционное покрытие, которое не проводит электрический ток. Классификация проводников показывает, что они бывают самые разные, но принцип их устройства будет всегда один: внутри проводящий материал, снаружи диэлектрик.
Проводники первого рода и проводники второго рода
Проводники делятся на проводники первого рода и проводники второго рода. Проводники первого рода – металлы и их сплавы, а проводники второго рода — водные растворы кислот, солей и щелочей, сильно разряженные газы.
Твердые и жидкие проводники, прохождение через которые электрического тока не вызывает переноса вещества в виде ионов, называются проводниками первого рода. Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов (электронная проводимость).
К таким проводникам относятся твёрдые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и свинца). Их удельное сопротивление r лежит в пределах 10–8 – 10–5 Ом×м.
Температурный коэффициент проводимости отрицателен, то есть с ростом температуры электропроводность уменьшается.
Вещества, прохождение через которые электрического тока вызывает передвижение вещества в виде ионов (ионная проводимость), называются проводниками второго рода. Типичными проводниками второго рода являются растворы солей, кислот и оснований в воде и некоторых других растворителях, расплавленные соли и некоторые твёрдые соли. Температурный коэффициент электропроводности положителен.
Деление проводников в зависимости от типа проводимости (электронная или ионная) является условным. Известны твёрдые вещества со смешанной проводимостью, например Ag2S, ZnO, Cu2O и др. В некоторых солях при нагревании наблюдается переход от ионной проводимости к смешанной (CuCl).
Какие электроны называются свободными?
Если мы обратимся к основам электротехники, то мы вспомним, что все тела состоят из атомов. Атом в свою очередь сам состоит из миниатирных частиц: нейтронов, протонов и электронов. В зависимости от того, насколько сильна связь электрона с атомным ядром, лучше или хуже выражена проводимость материала.
К диэлектрикам относятся резина, стекло, слюда, фарфор, смола и многие другие материалы. Физическая сущность этих явлений заключается в следующем. В диэлектриках все электроны прочно удерживаются ядрами атомов.
В проводниках же, например в металлах, существуют электроны, слабо связанные с ядрами.
Эти электроны наиболее удалены от ядер и под воздействием электрического поля соседних ядер отрываются, переходя с внешних орбит одних атомов к другим, при этом они свободно или почти свободно перемещаются по проводнику. Такие электроны называются СВОБОДНЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ.
Скорость движения электронов
Движение свободных электронов в проводнике происходит беспорядочно, и скорость их движения определяется тепловым состоянием проводника.
Но если на проводник подействовать силами внешнего электрического поля, создав на его концах разность потенциалов, то под действием этих сил движение электронов будет упорядочено – направлено в одну сторону.
Такое движение свободных электронов в металлическом проводнике называется ЭЛЕКТРОННЫМ ТОКОМ, а способность проводника проводить электронный ток – ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.
В проводнике второго рода имеет место ИОННЫЙ ТОК, который возникает также под влиянием сил электрического поля. Этот ток представляет собой направленное движение положительных и отрицательных ионов. Способность проводников проводить ионный ток называется ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.
Направление электрического тока
В диэлектриках имеет место так называемый ТОК СМЕЩЕНИЯ, который возникает в результате смещения электронов в атомах под действием сил внешнего электрического поля.
В вакууме ток создается потоком электронов, вылетающих с поверхности металлического проводника, а в разряженных газах – потоком электронов и ионов. В обоих случаях направленное движение электронов и ионов также происходит под влиянием внешнего электрического поля.
Таким образом, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК в проводящих средах есть направленное движение потока свободных заряженных частиц под действием сил внешнего электрического поля.
Направление движение свободных электронов можно получить, соединив, например, один конец металлической проволоки с металлическим шаром, заряженным отрицательно, а другой — с шаром, заряженным положительно. Электроны, имеющиеся в избытке на отрицательно заряженном шаре, направляются к положительно заряженному шару с недостатком электронов, т.е.
по проволоке пройдет электрический ток. Он будет течь до тех пор, пока разность потенциалов между разноименно заряженными шарами не станет равной нулю. В нашем примере это произойдет почти мгновенно.
Если же разность потенциалов между этими шарами поддерживать постоянно, то по проволоке будет идти электрический ток постоянный по величине и направлению.
Скорость распространения электрического поля
Условно за направление электрического тока принято считать направление, обратное движению свободных электронов, т.е. направление тока от плюса к минусу. Скорость же распространения электрического тока по проводнику равна скорости распространения света в вакууме, т.е. 300 000 км/сек. Эту скорость электронов нельзя смешивать со скоростью поступательного движения электронов при электрическом токе, которая равна всего нескольким миллиметрам в секунду.
Как получить электрический ток?
Для получения электрического тока существуют специальные устройства, которые непрерывно поддерживают разность потенциалов на концах проводника. Эти устройства обычно называются ИСТОЧНИКАМИ ТОКА или ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. Основными источниками тока являются:
- Механические источники электрического тока – ЭЛЕКРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую.
- Химические источники электрической энергии — ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И АККУМУЛЯТОРЫ. В них химическая энергия преобразуется в электрическую.
- Тепловые источники электроэнергии – ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую.
- В настоящее время также находят применение лучистые и атомные источники электрической энергии. Сначала в электрическую энергию преобразуется световая, а затем – ядерная энергия.
Независимо от того, по какому принципу работает тот или иной источник электрического тока, в каждом из них происходит процесс разделения электрических зарядов физических тел и вместе с тем процесс преобразования какого-либо вида энергии в электрическую.
Сегодня уже нет смысла рассуждать о пользе электричества. Оно используется повсеместно. Поэтому просто необходимо понимать природу этого явления, чтобы оно не причинило ущерб. Нужно принимать все меры предосторожности, чтобы не возникло короткого замыкания, вследствие которого может произойти пожар. И, конечно, надо быть крайне аккуратными, чтобы не получить удар электричеством, так как поражение электрическим током может быть смертельно опасным для жизни.
Во избежании неприятностей и опасных ситуаций для подключения или ремонта электропроводки вызывайте профессионального мастера. Созвонитесь с нашим оператором и закажите вызов электрика в Юбилейный или воспользуйтесь услугами электрика в городе Мытищи. А если нужен электромонтаж в Сергиевом Посаде в квартире или деревянном доме, то пригласите мастера-оценщика для составления сметы, а также посмотрите видео по электрике, выполненной нашими мастерами.
Если материал этой статьи был для вас интересен и полезен, поделитесь им со своими знакомыми в социальных сетях. Возможно, кому-то эта информация очень пригодится. C уважением, Королевский электрик в Щёлково.
Источник: http://elektrik-korolev.ru/electrotok.html
Ток проводимости
Токпроводимости может возникать в среде,обладающей электропроводностью иобусловлен движением свободных заряженныхчастиц в проводнике. Количественнаясторона этого явления характеризуетсясилой тока i( [] =A).Величина тока i определяется зарядом q,проходящимчерез некоторую поверхность S в единицу времени
.
Дляхарактеристики распределения в проводникезаряженных частиц используется векторнаявеличина ,называемаяплотностьютока. Направлениевектора указывает направление движения положительно заряженных частиц. Величинахарактеризует интенсивность ихпрохождения через площадку,[]= A/м2.
Приизвестной плотности тока сила тока,проходящего через некоторую поверхность,может быть рассчитана по формуле
гдевектор направлен по нормали к поверхности.
Длятока проводимости характерна зависимость,где символомобозначена удельная электрическаяпроводимость вещества проводника ([]= 1/Омм).
Типичным примеромтока проводимости является электрическийток в металлах.
Ток переноса
Токомпереноса называют явление перемещенияв свободном пространстве электрическизаряженных частиц. Принципиальноеотличие тока переноса от тока проводимостизаключается в том, что плотность токапереноса не пропорциональна напряженностиэлектрического поля, а определяетсяобъемной плотностьюпереносимого заряда и скоростьюдвижения частиц
Примеромтока переноса может служить потокэлектронов в электронно-лучевой трубке.
Ток смещения
Ток смещениявозникает в случае изменения электрическогополя во времени, а под плотностью токасмещения понимают величину
где.Первое слагаемое характеризуетперемещение связанных зарядов в процессеполяризации диэлектрика. Второеслагаемое, называемое током смещенияв пустоте, не имеет столь же нагляднойинтерпретации и связано с появлениеммагнитного поля, возникающего приизменении напряженности электрическогополя в пустоте. Характерным примеромтока смещения является ток в конденсаторе.
Таким образом, взависимости от характера электрическоготока его плотность может быть рассчитанапо одному из следующих соотношений:
Принцип непрерывности электрического тока
Однимиз основных принципов теорииэлектромагнитного поля является принципнепрерывности электрического тока
Вэтом соотношении символ означает полный ток сквозь взятую влюбой среде замкнутую поверхность,то есть
и .
Из принципанепрерывности электрического токаследует, что линии тока не имеют ниначала, ни конца, то есть являютсязамкнутыми.
Электрическое напряжение. Разность электрических потенциалов
Электрическоеполе кроме векторов ихарактеризуют скалярной величиной,которая называется электрическимнапряжениеми измеряется в вольтах, []= В .
Дляперемещения заряда в электрическом поле из точкив точкунеобходимо совершить работу
Электрическимнапряжением между точками иназывают величину, равную отношениюэтой работы к перемещаемому заряду
где‑ электрическое напряжение (илипадение напряжения) вдоль заданногопути (рис.1.5).
Для электрическогополя неподвижных зарядов (электростатическогополя) справедливо условие
вытекающее иззакона сохранения энергии в системезаряженных тел. Следовательно, (рис.1.6),
иинтеграл зависиттолько от координат точек и .
Этообстоятельство позволяет ввести врассмотрение функцию ,зависящую от положения точки ()в электростатическом поле:
гдеПотенциал точки определяется с точностьюдо некоторой постоянной, зависящей оттого, где выбрана точканулевого потенциала.
Вэлектростатическом поле напряжениемежду точками и можетбыть вычислено как разностьпотенциалов этих точек:
Электрическоеполе, для которого справедливо условие= 0, называется потенциальным электрическимполем. При теоретическом исследованиисистем, в которых заряженные тела имеютконечные размеры, точкаp,выбирается, как правило, на бесконечности.На практике часто U= 0 принимают на поверхности одного изобъектов рассматриваемой системы.
https://www.youtube.com/watch?v=Dnq454iKYbk
Введем понятиеповерхности равного потенциала, какповерхности, во всех точках которойпотенциал имеет одно и тоже значение.Силовые линии электрического поляперпендикулярны поверхностям равногопотенциала. Действительно:
прии, следовательно,(рис.1.7).
Источник: https://studfile.net/preview/3160909/page:2/
Постоянный электрический ток: определение, механизм, характеристики
Определение 1
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.
Определение 2
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.
Если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил равняется нулю. Отсюда следует, что суммарная работа сил A, действующих на заряд, равна работе сторонних Ast. Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется как:
ε=Aq (1), где значение q подразумевает положительный заряд. Его движение происходит по замкнутому контуру. ЭДС – это не сила. Единица измерения ε=В.
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.
Определение 3
Сила тока I – скалярная величина, равняется производной от заряда q по времени для тока, который проходит через поверхность S:
I=dqdt (2).
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:
I=qt (3), где сила тока рассматривается в качестве заряда, проходящего через поверхность S в единицу времени.
По системе СИ основная единица измерения силы тока – Ампер (А).
1 A=1 Кл1 с.
Определение 4
Плотность – это векторная локальная характеристика. Вектор плотности тока j→способен показывать, каким образом распределяется ток по сечению S. Его направление идет в сторону, куда движутся положительные заряды.
Значение вектора плотности тока по модулю равно:
Источник: https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/postojannyj-elektricheskij-tok/postojannyj-elektricheskij-tok-opredelenie/
Что такое электрический ток? В чем измеряется и его природа
Электрическим током называют направленное перемещение заряженных частиц, которое происходит под влиянием электрического поля.
Как образуется ток?
Электрический ток появляется в веществе при условии наличия свободных (несвязанных) заряженных частиц. Носители заряда могут присутствовать в среде изначально, либо образовываться при содействии внешних факторов (ионизаторов, электромагнитного поля, температуры).
В отсутствие электрического поля их передвижения хаотичны, а при подключении к двум точкам вещества разности потенциалов становятся направленными – от одного потенциала к другому.
Количество таких частиц влияет на проводимость материала – различают проводники, полупроводники, диэлектрики, изоляторы.
Где возникает ток?
Процессы образования электрического тока в различных средах имеют свои особенности:
- В металлах заряд перемещают свободные отрицательно заряженные частицы – электроны. Переноса самого вещества не происходит – ионы металла остаются в своих узлах кристаллической решетки. При нагревании хаотичные колебания ионов близ положения равновесия усиливаются, что мешает упорядоченному движению электронов, — проводимость металла уменьшается.
- В жидкостях (электролитах) носителями заряда являются ионы – заряженные атомы и распавшиеся молекулы, образование которых вызвано электролитической диссоциацией. Упорядоченное движение в этом случае представляет собой их перемещение к противоположно заряженным электродам, на которых они нейтрализуются и оседают.
Катионы (положительные ионы) движутся к катоду (минусовому электроду), анионы (отрицательные ионы) – к аноду (плюсовому электроду). При повышении температуры проводимость электролита возрастает, так как растет число разложившихся на ионы молекул.
- В газах под действием разности потенциалов образуется плазма. Заряженными частицами являются ионы, плюсовые и минусовые, и свободные электроны, образующиеся под воздействием ионизатора.
- В вакууме электрический ток существует в виде потока электронов, которые движутся от катода к аноду.
- В полупроводниках в направленном движении участвуют электроны, перемещающиеся от одного атома к другому, и образующиеся при этом вакантные места – дырки, которые условно считают плюсовыми.
При низких температурах полупроводники приближаются по свойствам к изоляторам, так как электроны заняты ковалентными связями атомов кристаллической решетки.
При увеличении температуры валентные электроны получают достаточную для разрыва связей энергию, и становятся свободными. Соответственно, чем выше температура – тем лучше проводимость полупроводника.
Посмотрите видео ниже с подробным рассказом об электрическом токе:
От чего зависит ток?
На количество свободных заряженных частиц и на скорость их упорядоченного передвижения влияют следующие факторы:
В чем измеряется ток?
Для измерения электрического тока пользуются понятиями силы тока и его плотности. Измеряется сила тока специальным приборам —амперметром.
Сила тока измеряется в Амперах (А) и представляет собой величину заряда, который проходит через поперечное сечение проводящего материала за единицу времени. Единица измерения силы тока называется Ампер (А). Один ампер приравнивают к отношению одного Кулона (Кл) к одной секунде.
Плотностью тока называют отношение силы тока к площади этого сечения. Единицей измерения измеряют в Амперах на квадратный метр (А/м2).
Ниже представлено видео о силе электрического тока в рамках школьной программы:
Постоянный и переменный — в чём различие?
Источник: https://pue8.ru/elektrotekhnik/817-elektricheskij-tok-opredelenie-edinitsy-izmereniya-raznovidnosti.html
Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики
Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.
Напряжение
Условно напряжение обозначается буквой «U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.
Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х1018 электронов.
Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока
- Постоянное напряжение. Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
- Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:— амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс; — мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени; — действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;— средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.
При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения.
Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий.
В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.
Электрический ток
Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.
Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.
Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.
Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.
Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться осциллографом. На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.
Ток и напряжение подчиняются правилам:
- Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
- В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
- Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.
Характеристика электрического тока
Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.
По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.
В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.
Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:
- Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
- Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
- Полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.
Условия возникновения электрического тока:
- Нагревание проводников (не сверхпроводников).
- Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
- Химическая реакция с выделением новых веществ.
- Воздействие магнитного поля на проводник.
Формы сигнала тока:
- Прямая линия.
- Переменная синусоида гармоники.
- Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
- Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.
Виды работы электрического тока:
- Световое излучение, создающееся приборами освещения.
- Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
- Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
- Создание электромагнитного излучения.
Отрицательные явления, вызываемые электрическим током:
- Перегрев контактов и токоведущих частей.
- Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
- Электромагнитные излучения во внешнюю среду.
Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках.
Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.
Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.
Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.
Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:
- Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
- Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.
Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.
Электрический ток в металлах
Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.
В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.
При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.
Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.
Похожие темы:
Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/tok-i-napriazhenie/
Электрический ток: виды и применение электротока, основные понятия, движение носителей заряда, формулы
Применение электрического тока разнообразно, поскольку невозможно представить без него жизнь человечества. Следует понимать его природу возникновения, чтобы направить энергию во благо, а не во вред. Электрический ток подчиняется законам физики, которые используются для изготовления различных устройств. Для его грамотного использования нужно знать основные электрические величины.
Основные понятия
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.
Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление.
В некоторых источниках можно встретить такое определение: электроток — скорость, с которой происходит изменение зарядов элементарных частиц в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разность потенциалов).
Свойства, которыми обладает электроток: тепловое, механическое, химическое и создание электромагнитного поля.
Сила и тип тока
Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.
Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки. В диэлектриках нет вообще носителей заряда, следовательно, этот факт исключает проводимость электричества вообще.
Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). 1 А — единица измерения силы неизменяющегося тока, который проходит по двум проводникам бесконечной длины и очень малой площади поперечного сечения, являющимися параллельными между собой и расположенными в вакуумном пространстве на расстоянии одного метра друг от друга, причем каждый метр такого проводника может вызывать силу взаимодействия, равную 2*10(-7) Н.
Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.
Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.
Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.
Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные.
Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида. Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение силовой характеристики Iм, время t и угловую частоту w = 2 * 3,1416 * f (частота тока источника питания): i = Iм * sin (w * t).
Еще одной величиной, характеризующей электроток, является напряжение или разность потенциалов.
Разность потенциалов
Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.
При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.
Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.
Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.
Условия получения и законы
Электроток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник. Но также справедливо и обратное утверждение, доказывающее возникновение электрического поля в результате протекания тока. Важными условиями его получения являются такие факторы: наличие свободных электронов и источника напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, которая способствует «вырыванию» из кристаллической решетки этих частиц.
Проводимость веществ
Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре проводника возникает движение атомов, некоторые из них распадаются и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействует с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепловую. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника. Оно зависит от следующих составляющих:
- Температуры.
- Типа вещества.
- Длины проводника.
- Площади поперечного сечения.
При уменьшении температуры вещества происходит снижение его сопротивления. Зависимость от типа вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Они образуют между собой кристаллическую решетку, причем у каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, а следовательно, отличается от других наличием носителей заряда.
Кроме того, потоку заряженных частиц сложнее пройти через длинный проводник с маленьким значением его площади поперечного сечения.
Проводником является и электролит или жидкость, проводящая электрический ток. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые бывают положительно (анионы) и отрицательно (катионы) заряжены. Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Перемещение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы перемещаются к аноду, а анионы — к катоду.
При протекании тока через электролит происходит его нагревание, в результате которого увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы способны проводить электроток тоже. Носителями заряда в них являются ионы и электроны, а сам «заряженный газ» называется плазмой.
Электричество в полупроводниках подчиняется тем же законам, что и в проводниках, но есть некоторые отличия. Представлять носители заряда в них могут электроны и дырки. При уменьшении температуры сопротивление его возрастает.
При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а в месте, где они были, происходит образование дырки. Однако она притягивает другой электрон, который находится рядом. Так и происходит движение дырок.
Следовательно, сумма дырочного и электронного электромагнитных полей образует электроток.
Основные соотношения
Все явления подчиняются физическим законам, и электричество не является исключением. Основные соотношения зависимости одной величины от других описаны в законах, которые применяются для расчета различных схем для простых и сложных устройств. Кроме того, правила помогают избежать различных аварийных ситуаций, поскольку электричество может служить и во вред человечеству, вызывая пожары, травмы и даже смерть.
Основным законом, используемым в электротехнике, является закон Ома для участка и полной цепи. Для участка цепи он показывает зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R и его формулировка следующая: ток, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален значению напряжения и обратно пропорционален сопротивлению этого участка (I = U / R).
Вам это будет интересно Устройство термопары, ее виды и принцип работы
Для полной цепи, в которой существует электродвижущая сила (e) и внутреннее сопротивление источника питания: формулировка выглядит следующим образом: ток, протекающий в полной цепи, прямо пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи с учетом внутреннего сопротивления источника питания (i = e / (R + Rвн)).
Из этих законов можно получить следствия, которые нужны для нахождения величин напряжения, ЭДС и сопротивлений. Следствия из законов Ома:
- R = U / I.
- U = I * R.
- e = i * (R + Rвн).
- R = (e / i) — Rвн.
- Rвн = (e / i) — R.
Электроток, при прохождении через проводник или полупроводник, совершает работу, при которой выделяется тепловая энергия. Это одно из его свойств. Ее численное значение определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.
Закон показывает зависимость количества теплоты от величин напряжения и силы тока, а также времени протекания электротока.
Его формулировка следующая: количество теплоты Q, выделяемое током при протекании через проводник за единицу времени, прямо пропорционально зависит от напряжения и силы тока (Q = U * I * t). Следствия из этого закона следующие:
-
- Q = sqr (I) * R * t.
- Q = (sqr (U) * t) / R.
- I = Q / (U * t).
- I = sqrt ((Q / (R * t)).
- U = Q / (I * t).
- U = sqrt (Q * R * t).
- t = Q / (U * I).
- t = Q / (sqr (I) * R).
- Q = P * t.
- P = Q / t.
- t = Q / P.
Величина Р является мощностью и вычисляется по формуле: Р = U * I. Если электрический ток в цепи не совершает механическую работу и не производит никакого действия, то все электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. A = Q.
Опытным путем было установлено, что при пересечении линий электромагнитной индукции проводником замкнутого типа в нем появляется электроток. Закон о влиянии электромагнитного поля на возникновение тока называется законом Фарадея.
Он гласит: отрицательное значение ЭДС электромагнитной индукции в контуре, который является замкнутым, равно изменению магнитного потока с течением времени. Из закона Фарадея следует, что при движении проводника в постоянном магнитном поле на концах первого возникает разность потенциалов.
Этот принцип используется для изготовления генераторов, трансформаторов и т. д.
Таким образом, электрический ток, как все явления и процессы, подчиняется определенным законам, которые позволяют не только контролировать, но и избегать негативных последствий, связанных с его работой. Производить расчеты нужно и для экономии времени, поскольку подбор номинала какого-либо элемента схемы может привести к выходу из строя устройства.
Источник: https://rusenergetics.ru/praktika/svojstva-elektricheskogo-toka
Дайте определение электрического тока – Электрический ток — Википедия
Дайте определение электрического тока.
Электрическим током называется всякое упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. В металлах ток создаётся свободными электронами. В проводящих растворах — ионы.
В газах ток создаётся как электронами, так и ионами.
Дайте определение тока проводимости.
Ток в металлах, проводящих растворах и газах, обусловленный движением заряженных частиц относительно той или иной среды под действием электрического поля, называется током проводимости.
Дайте определение проводников первого рода.
Проводники, в которых отсутствует химическое действие тока или потерями энергии в химических реакциях в проводнике можно пренебречь (все металлы, уголь и многие химические соединения).
4. Дайте определение проводников второго рода.
Проводники, в которых происходит электролиз, называются проводниками второго класса (рода) или электролита (водные растворы кислот и солей и некоторые химические соединения, как в жидком, так и в твердом состоянии).
Дайте определение сторонних сил.
Силы, которые переносят положительные заряды с отрицательной обкладки на положительную, имеют неэлектростатическое происхождение, наз-ся сторонними.
6. Дайте определение температурного коэффициента сопротивления.
Температурный коэффициент сопротивления дает относительное приращение удельного сопротивления (или просто сопротивления) при увеличении температуры на один градус. Температурный коэффициент сопротивления для данного вещества различен при разных температурах.
Дайте определение и укажите единицу измерения силы тока.
Сила тока – это скалярная физическая величина, равная электрическому заряду, проходящему через некоторую поверхность за единицу времени.
В СИ единица силы тока — ампер (А) является основной.
Дайте определение и укажите единицу измерения плотности тока.
Плотность тока – это векторная физ величина, направленная в сторону движения положительных зарядов и численно равная заряду, проходящему за единицу времени через малую поверхность, перпендикулярную направлению движений зарядов, отнесенному к площади этой поверхности.
В СИ единица плотности тока — А/(М.2)
9. Дайте определение и укажите единицу измерения ЭДС.
Работа, которую совершают сторонние силы по перемещению единичного положительного заряда. СИ:вольт
10. Дайте определение и укажите единицу измерения напряжения.
Напряжение- это работа электростатического поля по перемещению един, полож заряда проводника
Дайте определение и укажите единицу измерения проводимости.
ПРОВОДИМОСТЬ— это коэффициент пропорциональности между напряжением и силой тока
Дайте определение и укажите единицу измерения сопротивления участка цепи.
Это величина обратная проводимости
Дайте определение и укажите единицу измерения удельной проводимости.
Удельная проводимость (σ) – мера способности вещества проводить электрический ток.
Величина, обратная удельному сопротивлению
14. Дайте определение и укажите единицу измерения удельного сопротивления.
Если проводники состоят из однородного вещества, имеют форму цилиндров постоянного поперечного сечения, то в этом случае
где l — длина проводника, S — поперечное сечение проводника, а коэффициент пропорциональности зависит от рода вещества и от его состояния и называется удельным сопротивлением данного вещества.
Сформулируйте необходимые и достаточные условия для прохождения электрического тока в проводнике.
1.Наличие свободных зарядов
2. Наличие электростатич поля, создающего упорядоченное движение заряженных частиц
Сформулируйте (дайте определение и запишите формулу) закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме.
Согласно закону Ома плотность тока в среде пропорциональна напряжённости электрического поля и проводимости среды
или в общепринятом виде:(12)
Запишите выражение для зависимости сопротивления цилиндрического проводника от его размеров.
Дайте определение электрического тока.
Электрическим током называется всякое упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. В металлах ток создаётся свободными электронами. В проводящих растворах — ионы.
В газах ток создаётся как электронами, так и ионами.
Рекомендуемые страницы:
lektsia.com
Электрический ток: определение, единицы измерения, разновидности
Электрическим током называют направленное перемещение заряженных частиц, которое происходит под влиянием электрического поля.
Вопрос 2. Электрический ток (определение, сила тока, единицы измерения, направление тока, плотность тока), работа и мощность тока
Электрический ток— направленное движение электрических зарядов под действием электрического поля. Для того чтобы шёл ток, нужна замкнутая цепь, которая состоит из источников электрической энергии, приёмников электроэнергии и соединительных проводов.
За направление тока принимают направление движения положительного заряда. Поэтому во внешней цепи ток направлен от зажима “+” к зажиму “–”, внутри источника — наоборот.
Сила тока— количество электричества, прошедшее через поперечное сечение проводника за 1 секунду.
— для постоянного тока
— для переменного тока (ток равен скорости изменения заряда)
Плотность тока:
Работа и мощность тока
При прохождении тока проводник нагревается и совершается работа:
—работатока
—мощностьтока
Электрическую энергию получают путём преобразования химической, механической и других видов энергии.
Устройство, которое даёт в цепь энергию, называется источником.
Источник: https://mklguo.ru/raznoe-2/dajte-opredelenie-elektricheskogo-toka-elektricheskij-tok-vikipediya.html
Классификация:
Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционный ток.
Различают переменный (англ. alternating current, AC), постоянный (англ. direct current, DC) и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.
Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.
Переменный ток — ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону.
В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал).
В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
Квазистационарный ток — «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие.
Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры.
Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
Переменный ток высокой частоты — ток, в котором условие квазистационарности уже не выполняется, ток проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.
Пульсирующий ток — ток, у которого изменяется только величина, а направление остаётся постоянным.
Вихревые токи (токи Фуко) — «замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.
Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока.
Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов.
При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.
Характеристики:
Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.
Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света.
За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны).
То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.
Основные типы проводников:
В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).
Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.
Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.
Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации.
При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.
Источник: http://www.elektal.com.ua/spravochnik/articles/elektricheskiy_tok.html
Электрический ток проводимости
Когда в обыденной жизни, мы слышим выражение электрический ток, то в первую очередь подразумевается под этим именно ток проводимости. Это всего лишь один из видов токов для среды, называемой проводниками.
Природа тока проводимости обусловлена свойством вещества под названием — проводники. Давайте разберёмся с тем, что такое проводники, как в них существует электрический ток и какие явления при этом происходят.
Начнём с того, что электрический ток определяется как поток электричества, а значит это поток зарядов, которые и несут то самое электричество в количественном измерении в кулонах (Кл).
Элементарный электрический заряд
Пожалуй самый трудный и в то же время простой вопрос. Что такое электричество? Есть у материи одно фундаментальное свойство — это электрический заряд. Фундаментальное — значит основное, базовое, неотъемлемое, практически догматическое, как аксиома в геометрии.
Электрические заряды имеют количественное измерение. Каждый заряд состоит из элементарных, а значит общее количество складывается ступенчато, дискретно. Элементарные частицы, а прежде всего электроны, которые нас интересуют больше всего — имеют электрический заряд, который выражается количественно и измеряется в кулонах (Кл). Какое бы ни было количество заряда, оно всегда кратно элементарному заряду.
Элементарный заряд электрона равен:
Кроме электрона существуют ещё и протоны, которые имеют такое же количество заряда как и электрон, но они нас сейчас мало интересуют так как не являются свободными носителями заряда в проводниках.
Свободные и не свободные заряды
Самый простой ответ на вопрос. Что такое электричество? Это природа и поведение электрических зарядов. Заряды могут быть свободными и связанными, как и всё в природе, они также пребывают в движении. Вот такое движение электрических зарядов и есть электрический ток, или поток электричества.
Чем отличается свободный заряд от не свободного, то есть связанного? Свободные заряды под действием внешних электрических полей, или иных механических и прочих сил, могут изменять траекторию своего движения, скорость, характер движения, тормозится и ускорятся, увеличивать и уменьшать свою кинетическую энергию. Иначе говоря, свободные заряды под действием внешних сил меняют характер своего движения, то есть кинематику.
Как обстоят дела с несвободными зарядами? Раз существуют свободные заряды, тогда должны быть и несвободные. Это связанные заряды, которые под действием внешних сил, любых, или кулоновских, или механических и прочих, не могут изменить кинетическую энергию.
Эти заряды не меняют характер своего движения, а действующие на них силы испытывают противодействие, что имеет свой предел. Если взять кристалл соли, например, NaCl (поваренная соль), то в ней атомы натрия и хлора связаны, каждый атом в отдельности обладает своим электрическим зарядом, но в кристалле они связаны и как бы держат друг друга на привязи.
Воздействие внешнего электрического поля может только повернуть кристаллы, но по мере роста напряжённости электрического поля оба атома будут взаимно противодействовать кулоновским силам. Такое противодействие имеет свой предел, свои границы, и как только напряжённость поля превысит определённый порог, молекула вещества NaCl разорвётся и каждый атом станет свободным зарядом. Такие заряды в виде атомов носят название ионов.
До разрыва молекулы, силы поля будут совершать работу, которая приведёт к нагреву и расплавлению кристаллов соли.
Идеальный проводник электричества
Давайте представим идеальный проводник электричества, где имеются одни только свободные заряды — электроны. В реальности такого проводника не существует, есть лишь приближения к нему, но представить такой провайдер электричества вполне возможно.
Что же мы имеем в качестве идеального проводника? Проще всего его представить как показано на рисунке в виде прямоугольного бруска, в котором существуют свободные электроны. Этот брусок имеет объем V (м3), длину, высоту и протяжённость в глубину.
Внутри бруска имеются равномерно распределенные заряды — электроны. На объем бруска V, есть некоторая величина плотности заряда σ (сигма), которая показывает сколько свободных зарядов на единицу объёма.
Иначе говоря это величина кратная элементарному заряду и показывает сколько кулонов электричества в единице объёма равного 1 м3.
Так как в природе всё движется, свободные заряды в таком идеальном проводнике будут пребывать в хаотическом движении. Каждый будет двигаться казалось бы случайным образом по пути наименьшего сопротивления.
Если сквозь брусок провести секущую плоскость S, то в любой момент времени количество зарядов проскочивших сквозь плоскость в одном и другом направлении, справа и слева от неё, будет примерно одинаковое.
В таком случае говорят, что поток электричества сквозь плоскость отсутствует, так как вошло столько же зарядов, сколько и вышло.
Площадь сечения S похожа на решето, сквозь которого проходят заряды. Количество зарядов dq прошедших за время dt сквозь такое решето и будет тем самым потоком электричества, которое называется электрическим током. Фактически это статистическая скорость электричества сквозь сечение проводника.
Что же произойдёт если появится внешнее электрическое поле? Что будет происходить с зарядами в объёме бруска V, когда с торцов появятся источники электрического поля?
Будет происходить следующее.
Под действием электрического поля источника свободные носители зарядов — электроны, начнут двигаться, потому как на них будет действовать кулоновская сила. Действие силы F приведёт к росту скорости движения зарядов, они начнут двигаться с ускорением, и с каждым моментом времени их скорость будет возрастать.
Если бы наш брусок был очень большим, а электрическое поле неизменным, то за долгое время элементарные частицы разогнались бы до скорости близкой к скорости света. Такое возможно в идеальном проводнике, так как ничто не препятствует набору скорости электронами.
Но в реальном проводнике из вещества, например, меди, такое не возможно так как электроны встретят на своём пути препятствие в виде кристаллической решётки.
Как только электроны проскочат сечение S, можно смело говорить о потоке электричества сквозь это сечение. В этом случае за промежуток времени dt, через сечение S пройдёт определённое количество электричества dq, а значит ток I будет иметь величину отличающуюся от нуля.
Это и будет тот самый ток проводимости о котором говорилось в начале. Для идеального случая ток будет возрастать, так как скорость движения свободных зарядов возрастает.
Величина тока в таком случае будет также расти как и скорость зарядов, но в реальном проводнике такого не происходит, так как электроны испытывают торможение при столкновении с электрическим полем кристаллической решётки.
От чего же зависит величина силы тока? От многих факторов. Один из них — это площадь сечения S, а на практике — это сечение провода. Другой фактор — это плотность свободных зарядов на единицу объёма, или иначе, концентрация зарядов в проводнике.
Третий фактор — это величина напряжённости источника электрического поля, которая пропорциональна напряжению источника и его качеству.
Четвёртый фактор — это различные преграды на пути движения свободных зарядов, например структура кристаллической решётки материала проводника.
Реальный проводник электричества
Практически все металлы являются проводниками электричества. Это обусловлено тем, что в них достаточная концентрация свободных электронов (второй фактор), чтобы быть хорошими проводниками электричества.
Индивидуальные особенности кристаллической решётки металлов влияют на способность проводить ток (четвёртый фактор), а если выразится точнее препятствовать ему. Сечение проводника пропорционально улучшает проводимость (первый фактор).
Третий фактор не упоминается, так как относится к источнику тока, а не к проводнику.
Электрическая проводимость материалов измеряется в сименсах (См). Величина в один сименс проводимости показывает какое количество электричества (Кл) пройдёт через сечение проводника за одну секунду при падении напряжения на этом участке в один вольт.
Величина проводимости у всех металлов разная. Самым распространенным материалом для изготовления проводников в электротехнических цепях является медь, но также применяется алюминий. Лучший показатель проводимости имеет серебро, а вот золото уступает меди. Особо в качестве проводника можно выделить неметалл — углерод.
Обычно классифицируют материалы как проводники (conductors) если их проводимость лежит в пределах от 10 до 104-108 сименс (См), всё что выше 108 — именуется сверхпроводниками (superconductors), материалы с проводимостью от 10 до 10-8 сименс — это чаще всего полупроводники (semiconductors), а всё что имеет проводимость меньше 10-8 — называется изоляторами (insulators).
Нагрев проводников при прохождении электрического тока
В реальном проводнике ток не нарастает до бесконечности, так как электроны разогнавшись ударяются о кристаллическую решётку материала и всю накопленную энергию отдают в виде кванта излучения. По этой причине происходит нагрев проводов под действием электрического тока.
Кристаллы решётки постоянно вибрируют, причём, чем больше температура материала проводника, тем сильнее колебания кристаллической решётки. С ростом температуры проводимость материала ухудшается, а прохождение тока ведёт к разогреву проводов.
Дата: 13.05.2015
Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)
Источник: http://electricity-automation.com/page/elektricheskiy-tok-provodimosti-tok-v-metallah
