Меню

Признаки наличия электрического тока в проводнике

Электрический ток

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).

Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. — Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. — Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест — дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.

На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE, которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.

Заряды в электрическом поле

На рисунке показано, что вектор силы F = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.

Электрический ток

Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:

Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2 :

Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ1 и φ2 между этими точками из расчёта:

U = A/Q = φ1φ2

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток — электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.

В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. — Электролиз.
Анионы — положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду — катоду.
Катионы — отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду — аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.

Электрический ток в газах — плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.

Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах — лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.

Читайте также:  Электрический ток виды источника тока

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник

По каким признакам можно судить о наличии электрического тока в цепи?

Как определить, есть ли электрический ток в проводнике?

О, масса разных признаков, но в любом случае оптимальный выбор такого признака зависит от характера цепи.

Универсальные, которые работают почти всегда, основаны на тепловом действии тока и на том, что ток генерирует магнитное поле. Поэтому если температура участка цепи выше температуры окружающей среды — это признак. Если датчик магнитного поля при поднесении его к участку цепи показывает оного поля наличие — это признак.

Другими признаками могут быть химическое действие тока (если в цепи есть участок с электролитом, то там можно наблюдать химическую реакцию; иногда наблюдать воочию); возникновение искры при размыкании цепи из-за явления самоиндукции (правда, это уже «постмортем»); идущий от каких-то элементов цепи звук, вызванный магнитострикцией или эффектом динамика; наличие разности потенциалов на участке цепи с ненулевым сопротивлением — правда, это уже не признак, а прямое измерение, но, в качестве отмазки, измеряется тут не ток, а вызываемое им напряжение, то есть, в общем-то, тоже признак. К тому же разность потенциалов может быть и при нулевом токе — как, например, на выводах любого источника питания, хоть розетки, без подключения нагрузки.

Да, неважно. На настоящий момент нет еще таких источников энергии (тока), которые имели бы нулевое внутреннее сопротивление. А раз оно не нулевое, то омом больше, омом меньше . какая разница.

А вот замыкать сверхпроводящие цепи между собой только через сверхпроводящий тумблер! Кстати, в электромагнит со сверхпроводящей обмоткой, энергию можно закачать и в виде магнитного поля. («Оно всегда сверхпроводящее». :))

В СССР и во многих странах применяется частота 50 герц, а в США, например, применяется 60 герц. Кроме того, в некоторых странах напряжение сети составляет 220 вольт, а в других 110 вольт.

Непонятен термин «магнитное действие». Это, наверное, зависит от того, на что катушка действует. Что касается магнитного поля катушки с током, то его индукция равна мю-0 (магнитная постоянная, в СИ 4 пи х 10^-7), умноженному на магнитную проницаемость вещества внутри катушки (для пустоты и воздуха — около 1, для железа — 5000), умноженному на силу тока в катушке, умноженному на плотность намотки (сколько витков на метр длины катушки). Эта формула, конечно, для длинных катушек, у которых длина много больше диаметра.

Ну элементарно же считается. Температура электронного газа равна в условиях теплового равновесия равна температуре кристаллической решётки. Значит, средняя энергия теплового движения электронов равна 3/2 kT. Откуда по известной массе электрона враз считается его среднеквадратическая скорость.

Течёт по проводу ток или нет — по фигу. По крайней мере до тех пор, пока нагрев провода протекающим током не скажется на его температуре.

Такое случается. В норме трубы холодного водоснабжения представляют собой неплохое заземление, горячего — чуть хуже, и вызвать появление на них опасного напряжения относительно конструкций здания непросто. Однако совместными усилиями одних умников — тех, что используют трубы в качестве заземления, для обхода или скручивания счетчика, и тех, что заменяют трубы на пластиковые, напряжение на трубах все же появляется. Бывает и обратная ситуация — трубы надежно заземлены и имеют нулевой потенциал, а вот здание заземлено некачественно и утечки электрооборудования создают потенциалы уже на его конструкциях. Итог тот же.

Но чаще всего ситуация, описываемая как «от воды бьет током», вызывается статическим электричеством. В современных квартирах пол (линолеум или ламинат, положенные на пенополиэтиленовую подложку, керамическая плитка) представляет собой прекрасный изолятор и статика на теле накапливается и длительное время сохраняется даже при ходьбе по нему босиком. Статический потенциал на теле при этом достигает многих десятков киловольт и при контакте с заземленными предметами вызывает весьма болезненный разряд.

Отличить эти случаи несложно. Статический разряд всегда короткий и одноразовый, а напряжение от сети, попавшее на трубы водопровода, ощущается, как непрерывная вибрация.

Источник

ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТОКЕ

Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов по проводнику

Читайте также:  Преобразование источников напряжения в источник тока

Направлением электрического тока следовало бы считать направление движения свободных электронов по металлическому проводнику, однако за него условно принято направление движения положительных зарядов в проводнике. Эта условность сложилась исторически и в настоящее время сохранила свою силу в электротехнике.

Практически электрический ток получают от специальных источников: гальванических элементов, аккумуляторов, генераторов.

Электрический ток непосредственно наблюдать нельзя. О прохождении тока можно судить только по тем действиям, которые он оказывает

Запомните

Признаки, по которым судят о наличии электрического тока:

■ проводник, по которому проходит электрический ток, нагревается;

■ электрический ток, проходя по проводнику, создает вокруг него

■ ток, проходя через растворы солей, щелочей, кислот, а также че­

рез расплавленные соли, разлагает их на составные части.

Если через поперечное сечение проводника проходит qКл (кулонов) электричества за t с, то количество электричества, прошедшего через поперечное сечение проводника в течение 1 с, называетсявеличиной тока и обозначается буквойI:

Единицей измерения тока является ампер (А), определяемый как количество электричества в 1 Кл, прошедшего через поперечное сечение проводника в 1 с:

Ток в электрической цепи измеряется амперметром (рис. .3, а). Амперметр включается в электрическую цепь последовательно (рис. 3, б). Ток, не изменяющийся по величине и направлению, называется постоянным током. Постоянный ток дают гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока.

Рис.3.Амперметр: а-внешний вид б- схема включения

1. От каких приборов получают электрический ток?

2. По каким признакам судят о наличии электрического тока?

3. Как включается амперметр в электрическую цепь?

ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Перемещение электронов в определенном направлении и возникновение электрического тока возможно не во всех материалах. Например, в фарфоре, резине, мраморе, слюде свободных электронов практически нет, а все имеющиеся электроны прочно связаны с ядром. Поэтому электрические поля зарядов не могут вызвать перемещения электронов в определенном направлении и по таким материалам электрический ток не проходит. Эти материалы называются диэлектриками, или изоляторами.

К диэлектрикам относятся воздух, газ, слюда, мрамор, пластмасса, лаки и эмали, электрофарфор, лакоткани, стекловолокно и многие другие материалы.

В металлах, наоборот, много свободных электронов, и под действием сил электрического поля происходит перемещение электрических зарядов. Поэтому по металлу будет протекать электрический ток.

Материалы, проводящие электрический ток, называются проводниками. Впервые описание проводников было приведено еще в XIV в. К ним относятся металлы, растворы солей, кислот и щелочей.

1. Какие материалы называются диэлектриками?

2. Какие материалы, проводящие электрический ток, вы знаете?

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ.

КОНДЕНСАТОРЫ

Электрическая емкостьпроводника или устройства, состоящего из двух проводников, разделенных диэлектриком, характеризует их способность накапливать электрические заряды.

Рис.4.Кондесаторы а)плоский б) цилиндрический

В технике широко применяют конденсаторы — устройства, которые при сравнительно малых размерах способны накапливать значительные электрические заряды. Конденсаторы имеют боль­шую электрическую емкость и используются в энергетических установках, устройствах электроники, автоматики и др. Простейший конденсатор состоит из двух близко расположенных металлических пластин (обкладок), между которыми находится диэлектрик (воздух, слюда, фарфор, бумага и т.д.). Для увеличения площади электродов конденсатора его обычно делают многослойным.

Схематический вид плоского конденсатора приведен на рис..4,а а цилиндрического — на рис.4,б. Различные виды конденсаторов представлены на рис.5.

.Рис.5 .Различные виды конденсаторов

Электрическая емкость конденсатора определяется отношением величины заряда на его пластинах к напряжению между ними:

Электрическая емкость измеряется в фарадах (Ф). Емкость конденсатора равна 1 Ф, если увеличение его заряда на 1 Кл электричества вызывает повышение напряжения между его обкладками на 1 В (вольт):

Фарад — очень крупная единица емкости, которая практически не применяется. Обычно используют более мелкие единицы емкости — микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ) и пикофарад (пФ):

Опытным путем установлено, что емкость конденсатора прямо пропорциональна электрической проницаемости диэлектрика, находящегося между пластинами конденсатора, а также зависит от расстояния между пластинами. Конденсатор, у которого пластины находятся на большом расстоянии друт от друга, обладает меньшей емкостью.

Пластины конденсатора, которые имеют большую площадь, заряжаются большим количеством электричества и соответственно обладают большей емкостью. Все сказанное позволяет записать следующую формулу для определения емкости плоского конденсатора, Ф:

где — относительная электрическая проницаемость вакуума; его относительная электрическая проницаемость диэлектрика; S— площадь одной из пластин конденсатора, d — расстояние между пластинами, м.

Пример. 3. Конденсатор имеет две пластины. Площадь каждой пластины составляет 15см2. Между пластинами помещен диэлектрик — пропарафинированная бумага толщиной 0,02 см. Определить емкость этого конденсатора.

Решение

Следует, что диэлектрическая проницаемость пропарафинированной бумаги = 2,2. Емкость конденсатора

1 . Что называется электрической емкостью конденсатора?

2. От каких параметров зависит емкость конденсатора?

3. Как диэлектрическая проницаемость материала влияет на размеры конденсатора?

СОЕДИНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ

На практике используют три вида соединений конденсаторов: последовательное ,параллельное и смешанное. Обозначения конденсаторов на электрических схемах даны на рис..6.

Читайте также:  Регулировка силы тока сварочного аппарата

Последовательное соединение конденсаторов. При последовательном соединении конденсаторов (рис.7) правая пластина первого конденсатора соединяется с левой пластиной второго, правая пластина второго — с левой пластиной третьего и т. д. В этом случае их эквивалентная (общая) емкость уменьшается. Так происходит

потому, что общая толщина диэлектрика увеличивается, что при­

водит к уменьшению общей емкости. Эквивалентную емкость при

последовательном соединении конденсаторов определяют по формуле

Если последовательно включено несколько одинаковых конденсаторов, то их эквивалентную емкость вычисляют по формуле

на электрических схемах: а)конденсатор постоянный емкости

б) поляризованный конденсатор в) подстроечный конденсатор

Рис.7. Схема последовательного соединения конденсаторов.

где С — емкость одного конденсатора, Ф; n— число последовательно включенных конденсаторов.

Общее напряжение, приложенное к последовательно соединенным конденсаторам, равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах

Запомните

■ Последовательное соединение конденсаторов применяется

в том случае, если напряжение в цепи больше рабочего напряжения одного конденсатора.

■ При последовательном соединении эквивалентная емкость

меньше самой малой из соединенных емкостей.

Например, если напряжение в цепи равен 600 В, а в распоряжении имеются три одинаковых конденсатора, причем рабочее напряжение каждого из них составляет 200В, то их можно включить в цепь, соединив предварительно последовательно. Это дает возможность, даже не рассчитывая общую емкость, приблизительно

оценить ее величину. В частности, если соединены последовательно три конденсатора емкостью 0,1, 3 и 10 мкФ, то заранее можно сказать, что их общая емкость будет меньше 0,1 мкФ. Подсчет по формуле дает значение общей емкости 0,096 мкФ.

Параллельное соединение конденсаторов. Схема параллельного соединения конденсаторов приведена на рис..8.

Эквивалентную емкость при параллельном соединении конденсаторов определяют

+ +…

т. е. эквивалентная емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей всех включенных конденсаторов. Это объясняется тем, что при параллельном соединении конденсаторов происходит как бы увеличение площади пластин, что приводит к увеличению емкости.

Рис.8.Схема параллельного соединения конденсаторов

Если параллельно включено п одинаковых конденсаторов, то эквивалентную емкость можно рассчитать по следующей формуле:

Напряжение на каждом из параллельно включенных конденсаторов равно напряжению цепи

Запомните

К параллельно соединенным конденсаторам можно подвести напряжение, не превышающее рабочее напряжение каждого из них.

Смешанное соединение конденсаторов. Такое соединение конденсаторов представляет собой совокупность последовательного и параллельного соединений (рис. 9). Его применяют в том случае, когда необходимо использовать положительные свойства последовательного и параллельного соединений конденсаторов.

Пример.4. В цепь напряжением 600 В необходимо включить емкость 2 мкФ. В распоряжении имеются четыре конденсатора емкостью 2 мкФ каждый. Рабочее напряжение каждого из них равно 300 В. Как нужно включить конденсаторы для включения их в цепь?

Решение

Рабочее напряжение конденсаторов меньше напряжения цепи в два раза, поэтому конденсаторы необходимо соединить последовательно (см. рис.9). При этом напряжение на каждом конденсаторе будет составлять 300 В, а эквивалентная емкость.

Чтобы получить необходимую мощность 2 мкФ, параллельно конденсаторам и включим еще два последовательно соединенных конденсатора и. Эквивалентную емкость конденсаторов и определим по формуле

Емкости и соединены параллельно, поэтому эквивалентная емкость четырех конденсаторов составит:

Рис.9.Схема смешаного соединения конденсаторов

=2мкФ

Соответственно и напряжение на каждом конденсаторе будет равно 300 В.

1. Каковы единицы измерения электрической емкости и их соотношение?

2. Как влияет диэлектрик на емкость конденсатора?

3. При каком соединении конденсаторов общая емкость уменьшается?

4. В каких случаях применяется параллельное соединение конденсаторов?

Источник



Поясните, что называется электрическим током, где он возникает и по каким признакам можно судить о наличии тока.

date image2015-08-13
views image2514

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

В электрическом поле на заряженной частице действуют силы электрического поля . Под действием этих сил, свободно заряженные частицы (находящиеся до этого в беспорядочном движении) приобретают упорядоченное движение вдоль линий напряженности электрического поля: «+»-по направлению электрического поля, «-»-в обратную сторону.

Направленное движение свободно заряженных частиц проводимые под действием сил электрического поля, называется электрическим током проводимости.

О наличии тока в проводнике можно судить по следующим признакам:

1. Нагревание проводников электрическим током (тепловое действие эл. тока)

2. Образование вокруг проводника с током магнитного поля (магнитное действие тока)

3. Разложение электролита, по которому проходит ток на составные хим.элементы (химическое действие тока).

Для возникновения и прохождения тока необходимо:

1. Наличие в проводнике носителей зарядов, которые могут перемещаться (это свободные электроны в металлах и свободные электроны и ионы в электролитах)

2. Наличие в проводнике электрического поля, для подержания которого необходимо наличие двух электродов (выводов) источника электрической энергии.

Таким образом ток проходит в проводнике, если проводник вместе с источником энергии образует замкнутую электрическую цепь.

Источник