Меню

Лекция что такое электрический ток

Лекция по теме 1.1. «Постоянный электрический ток»

Лекция по теме 1.1. «Постоянный электрический ток».

1. Что такое электрический ток

2. Проводники и диэлектрики

3.Направление движения электрического тока

4.Основные параметры тока

5.Закон Ома

1.Что такое электрический ток

Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных элементарных частиц от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому, например, под воздействием электрического поля.

2.Проводники и диэлектрики

Заряженные частицы, способные перемещаться, существуют только в определённых веществах, называемых проводниками.
Другими словами, проводники — это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел.

Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны:

углерод (в виде угля и графита).

Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов.

Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма).

Вещества, не содержащие свободных носителей заряда, принадлежат к категории диэлектриков (изоляторов) .

3.Направление движения электрического тока

В различных средах электрический ток обусловлен движением различных зарядов, как отрицательных (электронов), так и положительных (положительных и отрицательных ионов).

Возникает вопрос, движение каких частиц принять за направление движения электротока?

Волевым путём з а направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц , а в том случае, если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения этих частиц.
Хотя не все согласны с таким выбором. Например, при описании работы выпрямителей, часто за направление движения принимают именно направление движения отрицательно заряженных частиц.

Кроме того, многие исследователи считают, что заряженные частицы разных знаков вообще движутся в противоположные стороны одновременно и говорить о направлении движения тока не имеет смысла!

4.Основные параметры тока

Чтобы движение свободных электронов в проводнике от одного полюса к другому было возможным, между полюсами должна существовать разность потенциалов или напряжение. Напряжение (U) равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда к величине перемещаемого заряда на участке цепи.

В качестве примера потенциала можно привести некоторый груз лежащий на горе. Чем выше гора, тем большей силы удар может нанести это груз при падении. Разность потенциалов в этом случае — разница между высотой горы и точкой падения.

Также и с электричеством: если в некоторой точке потенциал 220V, а в другой 0V, то напряжение (разность потенциалов) равно 220 – 0 = 220V.
А если в первой точке потенциал 220V, а в другой 50V, то напряжение (разность потенциалов) равно 220 – 50 = 170V.

Напряжение измеряется в вольтах (В) .

Количество заряженных частиц, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени, может быть разным. Оно определяет один из важнейших параметров — силу тока .

Если вместо заряженных частиц представить поток воды в трубе, то то количество воды проходящей через поперечное сечение трубы является аналогом силы тока в проводнике.

Сила (величина) тока измеряется в амперах (А).

Сопротивление

Так уж повелось, что любое движение в нашем мире не обходится без сопротивления. Например, человеку трудно пройти через толпу из-за сопротивления встречных людей, или автомобиль с выключенным мотором обязятельно остановится из-за трения качения.

Способность проводника препятствовать прохождению тока называется сопротивлением . Оно зависит от материала, длины и сечения материала. Сопротивление может проявляться, в частности, в нагреве проводника.

Интересно, что сопротивление может меняться:

Сопротивление металлических проводников увеличивается с повышением температуры.

У полупроводников сопротивление сильно уменьшается при повышении температуры.

У некоторых металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивление скачком уменьшается до нуля (явление сверхпроводимости).

В таблицах значения удельного сопротивления проводников обычно приводятся для температуры 20°C. Сопротивление или удельное сопротивление при других значениях температуры можно найти пересчетом.

Сопротивление зависит от размеров проводника: чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление, но в то же время, чем больше сечение проводника, тем сопротивление меньше.

Сопротивление измеряется в омах (Ом).

Сила ток, напряжение и сопротивление связаны между собой законом Ома, который гласит: «Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению»:

Электрические приборы и машины окружают человека повсеместно, выполняя самые разные работы. Одним из их важнейших параметров является мощность .

Мощность электрического тока это работа, совершаемая током за единицу времени.

Работа, совершаемая электрическим током подсчитывается по формуле А=UIt.

А мощность по формуле P=I 2 R .

Также используются формулы P=IU, или P=U 2 /R.

Мощность измеряется в ваттах (W) . 1000 ватт составляют 1 киловатт.

Один ватт — есть мощность, которую развивает электрический ток величиной в один ампер при напряжении в один вольт.

Что такое постоянный ток и его применение.

Ток, который не меняет своего направления называется постоянным . При этом он может менять свою величину.

Постоянный ток применяется:

в высоковольтных линиях электропередач (500 кV), так как если применять переменный ток, такого же действующие напряжения, учитывая амплитудные значения напряжений и их перепад, эти напряжения могут в несколько раз превышать величину напряжения постоянного тока, это требует дополнительных затрат на изоляционные материалы и значительно удорожает ЛЭП.

в контактной сети электротранспорта до 3000V,

в прокатных станах и других устройствах с тяжелыми условиями пуска электродвигателей до 1000V,

в сети грузоподъемных механизмов до 500V,

в различных приборах, переносных, бытовых, например, переносные фонари, магнитофоны, диагностические приборы различного назначения.

В условиях тяжелого запуска, когда большой пусковой момент (прокатные станы, электротранспорти т. д.) или требуется плавное регулирование скорости и пускового момента (тягового усилия) применяют двигатели постоянного тока

Этот вид тока чаще всего встречается в различных элементах питания: батарейках и аккумуляторах. Например, в компьютерах для питания микросхемы CMOS применяются батарейки напряженим 3V, в автомобилях аккумуляторы имеют напряжение 12V, в строительной технике — 24V.

Читайте также:  Почему машина бьется током водительская дверь

Источник постоянного тока имеет две клеммы (разъёма): плюс (+) и минус (-) . Нажав на кнопку включения на схеме расположенной ниже, можно видеть как постоянный ток движется от плюсовой клеммы (+) через лампочку к минусовой (-).

Источник

Лекция 4. Электрический ток

Объёмная плотность энергии электростатического поля.

Рассмотрим плоский воздушный конденсатор. Энергия заряженного конденсатора

Объём пространства между пластинами конденсатора . Так как поле между пластинами рассматриваем как однородное, то единица объема этого поля обладает энергией . Эта величина называется объёмной плотностью энергии.

В случае, когда поле не является однородным, объёмная плотность энергии .

В веществе объёмная плотность энергии электрического поля .

В случае однородного изотропного диэлектрика , поэтому .

— энергия электрического поля в вакууме, — энергия поляризации вещества.

Пример. Рассмотрим заряженную тонкостенную сферу радиуса R. Так как одноименные заряды на сфере отталкиваются, то силы отталкивания стремятся растянуть поверхность сферы. Можно считать, что изнутри сферы на стенки действует дополнительное давление, распирающее сферу и вызванное наличием электрического заряда на поверхности.

Напряженность поля внутри сферы равна нулю, поэтому объемная плотность энергии электрического поля w отлична от нуля только снаружи сферы.

При небольшом увеличении радиуса сферы на dR её объём увеличится, при этом в той части окружающего пространства, которая попала внутрь сферы, объёмная плотность энергии станет равной нулю. Следовательно, изменение энергии поля снаружи будет равно , где S – площадь поверхности. Но при расширении сферы силы давления внутри сферы совершат работу .

Так как , то , откуда

Пример. Найдем силы, действующие на пластины в заряженном плоском конденсаторе, отключённом от источника.

Пластины заряжены разноименно, поэтому они притягиваются. Предположим, что пластины сблизились на малую величину x. Тогда объём конденсатора уменьшился на величину dV=xS, поэтому энергия конденсатора уменьшилась на dW=wdV. Силы притяжения совершат работу dA=Fx. Так как dA= dW, то Fx=wxS. Поэтому величина силы равна F=wS. Дополнительное давление, которое создают эти силы, равно .§

Приведённые примеры показывают, что на тела, находящиеся в электрическом поле, действуют силы, вызывающие дополнительное давление, равное объёмной плотности энергии.

Давление, вызванное наличием электрического поля равно объёмной плотности энергии.

Силы, действующие на тела со стороны какого-то поля, называются пондемоторными.

Носители тока в средах. Сила и плотность тока. Электрическое поле в проводнике с током. Сторонние силы. Закон Ома и Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах. (Законы Кирхгофа).

Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов, которые называются носителями тока (электроны, ионы, макроскопические заряженные частицы – капельки, пылинки и т.д.)

Характеристикой электрического тока является вектор плотности тока,

где q – заряд носителей, n — концентрация носителей, — вектор средней скорости упорядоченного движения. Единица измерения величины плотности тока А/м 2 (Ампер на метр квадратный)

Замечание. Если носители тока совершают хаотическое (тепловое) движение, то в этом случае , и электрический ток отсутствует.

Если электрический ток одновременно создают разные носители (например, отрицательные и положительные ионы в электролите), то плотность тока определяется следующим образом:

где индексы «+» и «-» соответствуют положительно и отрицательно заряженным носителям.

Замечание. Рассмотрим прямолинейное движение заряженных частиц под действием электрического поля, вектор напряженности которого параллелен траектории частиц. В этом случае положительные заряженные частицы будут двигаться в направлении вектора напряжённости, поэтому вектор плотности тока положительных носителей будет направлен так же как и вектор напряжённости .

Отрицательно заряженные частицы будут двигаться против направления вектора напряжённости, но так как , то вектор плотности тока отрицательных носителей тоже будет направлен, как и !

За направление электрического тока принимается направление движения положительно заряженных носителей.

Таким образом, если в некоторой области среды (или тела) задано векторное поле плотности электрического тока, то говорят, что в этой области среды (или тела) «течёт» электрический ток. Соответственно, говорят, что эта область среды (или тела) является проводником электрического токаили, что эта область среды (или тела) проводит электрический ток. Типичный проводник – металлы. В металлах носителями тока являются валентные электроны.

Если вектор плотности в любой точке тока не зависит от времени, то говорят, что ток постоянный.

Линия тока – линия, касательная к которой в каждой точке направлена так же как и вектор плотности тока.

×dt
n
j
a

Силой тока, текущего в проводнике, называется величина отношение заряда dQ, переносимого через поперечное сечение проводника (с учетом направления) за промежуток времени dt, к величине этого промежутка времени: .

Докажем, что сила тока в проводнике равна величине потока вектора плотности тока через сечение проводника. Сечение проводника при этом является ориентированной поверхностью.

Рассмотрим цилиндрический проводник, в котором задано однородное векторное поле плотности тока . Найдём суммарный электрический заряд, прошедший за малый промежуток времени dt через сечение проводника, нормаль к которому образует угол a с вектором плотности тока. Все прошедшие через сечение заряды заполнят косой цилиндр, объём которого . Длина этого цилиндра , где — скорость упорядоченного движения носителей. Величина электрического заряда прошедшего через сечение проводника

, где q – заряд одного носителя, N – количество носителей в цилиндре. Если n – концентрация носителей, то , поэтому

Если ввести вектор , то можно записать .

Поэтому сила тока в проводнике .

Если векторное поле плотности тока неоднородное, а сечение не является плоским, то сечение разбивается на малые участки dS, в пределах каждого из которых поле можно считать однородным. Затем суммируются все потоки по этим участкам

Сила тока измеряется в Амперах (А): А=Кл/с.

Сила тока через поперечное сечение, в котором вектор плотности тока , , где S^ — площадь поперечного сечения. Откуда .

Замечание. Иногда удобно силу тока считать алгебраической величиной, т.е. приписывать знак «+» или «-» в зависимости от какого-то направления. Если при подобном соглашении знак силы тока получается отрицательным, то это означает, что направление движения положительных зарядов в данном случае — противоположное.

Читайте также:  Мощность электрического тока компьютера

Закон сохранения электрического заряда.

Рассмотрим поток вектора плотности тока через замкнутую поверхность, ориентированную наружу:

Если , то это означает, что положительные частицы выходят из объёма, охваченного этой поверхностью (или отрицательные входят в объём). Поэтому алгебраическая величина заряда (с учётом знака) уменьшается внутри объёма, охваченного поверхностью S: . Следовательно, должно быть справедливо равенство: , т.е.

Это соотношение называется законом сохранения электрического зарядав интегральной форме. Если ввести функцию объёмной плотности заряда , то , то получаем равенство .

Воспользуемся теоремой Остроградского-Гаусса: .

Если поверхность S неподвижная, то можно написать равенство .

Тогда из равенства следует закон сохранения электрического заряда в дифференциальной форме:

Следствие. Если внутри замкнутой поверхности величина заряда не изменяется , то это означает, что суммарный поток плотности тока через эту поверхность равен нулю:

Так как поток векторного поля, направленного наружу, положительный, а направленного внутрь — отрицательный, то можно записать:

т.е. сила втекающего тока равна силе вытекающего тока.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Лекция на тему: «Электрический ток»

Лекции Электрический ток

Тема: “Электрический ток”

Цель лекции: Дать студентам основные понятия и определения, используемые в разделе электрический ток: вектор тока, сила тока, сопротивление, напряжение. Дать основные законы и определения.

План лекции.

1. Понятие о токе проводимости. Вектор тока и сила тока.

2. Дифференциальная форма закона Ома.

3. Последовательное и параллельное соединение проводников.

4. Причина появления электрического поля в проводнике, физический
смысл понятия сторонних сил.

5. Вывод закона Ома для всей цепи.

6. Первое и второе правила Кирхгофа.

7. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления.

8. Электрический ток в различных средах.

9. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея.

1. Понятие о токе проводимости. Вектор тока и сила тока.

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Носителями тока могут быть электроны, ионы, заряженные частицы.

Если в проводнике создать электрическое поле, то в нем свободные электрические заряды придут в движение – возникает ток, называемый током проводимости. Если в пространстве перемещается заряженное тело, то ток называется конвекционным.

Ток может течь в твердых телах (металлах), жидкостях (электролитах) и газах (газовый разряд обусловлен движением как положительных, так и отрицательных зарядов).

Носителями тока являются:

— в металлах – направленное движение электронов;

— в жидкостях – ионов;

— в газах – электронов и ионов.

За направление тока принято принимать направление движения положительных зарядов.

Для возникновения и существования тока необходимо:

1) наличие свободных заряженных частиц;

2) наличие электрического поля в проводнике.

Основной характеристикой тока является сила тока, которая равна величине заряда, прошедшего за 1 секунду через поперечное сечение проводника.

где Dq – величина заряда;

Dt – время прохождения заряда.

Сила тока величина скалярная.

Ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени, называются постоянным, в противном случае – переменным.

Электрический ток по поверхности проводника может быть распределен неравномерно, поэтому в некоторых случаях пользуются понятием плотность тока i.

Средняя плотность тока равна отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

где DJ – изменение тока;

DS – изменение площади.

2. Дифференциальная форма закона Ома.

В 1826 г. немецкий физик Ом опытным путем установил, что сила тока J в проводнике прямо пропорциональна напряжению U между его концами

где k – коэффициент пропорциональности, называемый
электропроводностью или проводимостью; [k] = [См] (сименс).

называется электрическим сопротивлением проводника.

закон Ома для участка электрической цепи, не содержащей источника тока

Выражаем из этой формулы R

Электрическое сопротивление зависит от формы, размеров и вещества проводника.

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

где r – характеризует материал, из которого изготовлен проводник и
называется удельным сопротивлением проводника.

Сопротивление проводника зависит от температуры. С увеличением температуры сопротивление увеличивается

где R0 – сопротивление проводника при 0°С;

a – температурный коэффициент сопротивления
(для металла a » 0,04 град-1).

Формула справедлива и для удельного сопротивления

где r0 – удельное сопротивление проводника при 0°С.

Источник



ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

  • Главная
  • Мир физики
    • Физика в формулах
    • Теоретические сведения
    • Физический юмор
    • Физика вокруг нас
    • Физика студентам
      • Для рефератов
      • Экзамены
      • Лекции по физике
      • Естествознание
  • Мир астрономии
    • Солнечная система
    • Космонавтика
    • Новости астрономии
    • Лекции по астрономии
    • Законы и формулы — кратко
  • Мир психологии
    • Физика и психология
    • Психологическая разгрузка
    • Воспитание и педагогика
    • Новости психологии и педагогики
    • Есть что почитать
  • Мир технологий
    • World Wide Web
    • Информатика для студентов
      • 1 курс
      • 2 курс
    • Программное обеспечение компьютерных сетей
      • Мои лекции
      • Для студентов ДО
      • Методические материалы
  • Физика школьникам
  • Физика студентам
  • Астрономия
  • Информатика
  • ПОКС
  • Арх ЭВМ и ВС
  • Методические материалы
  • Медиа-файлы
  • Тестирование

Как сказал.

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

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.

Читайте также:  Светодиодные ленты с импульсным током

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 RA. 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 называется постоянным .

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 токаэто 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 U 12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2.

Напряжениеэто 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: U 12 = φ 1 – φ 2

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 RB. 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.

Источник