Меню

Условия протекания постоянного тока в среде

ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Электрический ток это упорядоченное движение заряженных частиц (электронов и ионов). За направление тока условно принято направление движения положительных зарядов, т.е. от « + » к « — ».

Условия, необходимые для существования электрического тока:

  • Наличие свободных заряженных частиц;
  • Наличие электрического поля, действующего на заряженные частицы с силой в определённом направлении;
  • Наличие замкнутой электрической цепи.

Действия тока:

  1. Тепловое: проводник по которому течет ток нагревается.
  2. Химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника (электролита).
  3. Магнитное: ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Вокруг проводника с током существует магнитное поле.

Постоянный ток

Электродвижущая сила.

Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.

Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов.

Сторонние силы — любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т.е. кулоновских).

ЭДС – электродвижущая сила – физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда от «+» полюса к «-» полюсу внутри источника тока. Является энергетической характеристикой источника тока.

Основные характеристики электрического тока

Виды соединений источников тока

Шунтирование амперметра.

Важным примером применения последовательного и параллельного соединения проводов являются различные схемы включения электроизмерительных приборов. Допустим, что имеется некоторый амперметр, рассчитанный на максимальный ток Imax, а требуется измерить большую силу тока. В этом случае параллельно к амперметру присоединяют малое сопротивление r, по которому направится большая часть тока. Его называют обычно шунтом. Сопротивление амперметра – R, и пусть R/r=n. Сила тока в цепи, амперметре и в шунте равны соответственно I, Iа и Iш

Параллельное присоединение шунта к измерительному прибору с целью изменения его чувствительности называют шунтированием. Схема шунтирования амперметра добавочным малым сопротивлением r.

Постоянный ток. Работа и мощность. Закон Джоуля – Ленца.

Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда Dq: A=DqU

Учитывая, что Dq = IDt получаем: A= IUDt = I 2 RDt = Dt

При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую.

Закон Джоуля – Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.

Q = I 2 R t – закон Джоуля – Ленца.

Закон открыт экспериментально независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Х.Ленцем. Q = А – по закону сохранения энергии.

Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени.

Дополнительные материалы по теме

пост эл ток

закон ома

соединение проводников

закон ома для полной цепи

Конспект урока «Постоянный ток. Формулы и схемы».

Источник

Постоянный электрический ток. Условия возникновения тока.Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц

Условия возникновения тока.Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц. Количественными характеристиками тока являются его сила тока (отношение заряда: переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени):

(1)

и его плотность, определяемая соотношением:

(2) .

Единицей измерения силы тока является ампер (1А — характерное значение тока, потребляемого бытовыми электронагревательными приборами).

Необходимыми условиями существования тока являются наличие свободных носителей зарядов, замкнутой цепи и источника ЭДС (батареи), поддерживающего направленное движение.

Электрический ток может существовать в различных средах: в металлах, вакууме, газах, в растворах и расплавах электролитов, в плазме, в полупроводниках, в тканях живых организмов.

При протекании тока практически всегда происходит взаимодействие носителей зарядов с окружающей средой, сопровождающееся передачей энергии последней в виде тепла. Роль источника ЭДС как раз и состоит в компенсации тепловых потерь в цепях.

Электрический ток в металлах обусловлен движением относительно свободных электронов через кристаллическую решетку. Причины существования свободных электронов в проводящих кристаллах может быть объяснена только на языке квантовой механики.

Опыт показывает, что сила электрического тока, протекающего по проводнику, пропорциональна приложенной к его концам разности потенциалов (закон Ома). Постоянный для выбранного проводника коэффициент пропорциональности между током и напряжением называют электрическим сопротивлением:

(3)

Сопротивление измеряют в омах (сопротивление человеческого тела составляет около 1000 Ом). Величина электрического сопротивления проводников слабо возрастает при увеличении их температуры. Это связано с тем, что при нагревании узлы кристаллической решетки усиливают хаотические тепловые колебания, что препятствует направленному движению электронов. Во многих задачах непосредственный учет колебаний решетки оказывается весьма трудоемким. Для упрощения взаимодействия электронов с колеблющимися узлами оказывается удобным заменить их столкновениями с частицами газа гипотетических частиц — фононов, свойства которых подбираются так, чтобы получить максимально приближенное к реальности описание и могут оказываться весьма экзотическими. Объекты такого типа весьма популярны в физике и называются квазичастицами. Помимо взаимодействий с колебаниями кристаллической решетки движению электронов в кристалле могут препятствовать дислокации — нарушения регулярности решетки. Взаимодействия с дислокациями играют определяющую роль при низких температурах, когда тепловые колебания практически отсутствуют.

Читайте также:  Индукция магнитного поля прямолинейного проводника с током вывод формулы

Некоторые материалы при низких температурах полностью утрачивают электрическое сопротивление, переходя в сверх проводящее состояние. Ток в таких средах может существовать без каких-либо ЭДС, поскольку потери энергии при столкновениях электронов с фононами и дислокациями отсутствуют. Создание материалов, сохраняющих сверхповодящее состояние при относительно высоких (комнатных) температурах и небольших токах является весьма важной задачей, решение которой произвело бы настоящий переворот в современной энергетике, т.к. позволило бы передавать электроэнергию на большие расстояния без тепловых потерь.

В настоящее время электрический ток в металлах используется главным образом для превращения электрической энергии в тепловую (нагреватели, источники света) или в механическую (электродвигатели). В последнем случае электрический ток используется в качестве источника магнитных полей, взаимодействие с которыми других токов вызывает появление сил.

Электрический ток в вакууме строго говоря невозможен из-за отсутствия в нем свободных электрических зарядов. Однако, некоторые проводящие вещества при нагревании или облучении светом способны испускать со своей поверхности электроны (термоэмиссия и фотоэмиссия), которые способны поддерживать электрический ток, двигаясь от катода к другому (положительному) электроду — аноду. При подаче на анод отрицательного напряжения ток в цепи обрывается. Описанное свойство обуславливает широкое применение электровакуумных приборов в электронных устройствах для выпрямления переменного тока. До сравнительно недавнего времени электровакуумные устройства широко использовались в качестве усилителей электрических сигналов. В настоящее время они почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами.

Электрический ток в газах на первый взгляд не может существовать из-за отсутствия свободных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах газов прочно “связаны” с ядрами электростатическими силами). Однако, при передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая свободным электроном при прохождении через разность потенциалов в 10 В), последний переходит в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно большое расстояние). В газах при комнатных температурах всегда присутствует очень небольшое количество ионизированных атомов, возникших под действием космического излучения (фотоионизация). При помещении такого газа в электрическое поле заряженные частицы начинают разгоняться, передавая нейтральным атомам набранную кинетическую энергия и ионизуя их. В результате развивается лавинообразный процесс нарастания числа свободных электронов и ионов — возникает электрический разряд. Характерное свечение разряда связано с выделением энергии при рекомбинации электронов и положительных ионов. Типы электрических разрядов весьма разнообразны и сильно завися от состава газа и внешних условий.

Плазма. Вещество, содержащее смесь нейтральных атомов, свободных электронов и положительных ионов, называют плазмой. Плазма, возникающая в результате сравнительно слаботочных электрических разрядов (напр. в трубках “дневного света”) характеризуется весьма малыми концентрациями заряженных частиц по сравнению с нейтральными ( ). Обычно ее называют низкотемпературной, поскольку температура атомов и ионов близка к комнатной. Средняя же энергия гораздо более легких электронов оказывается гораздо большей. Т.о. низкотемпературная плазма является существенно неравновесной, открытой средой. Как отмечалось, в подобных средах возможны процессы самоорганизации. Хорошо известным примером является генерация в плазме газовых лазеров высоко упорядоченного когерентного излучения.

Плазма может так же может быть термодинамически равновесной. Для ее существования необходима очень высокая температура (при которой энергия теплового движения сравнима с энергией ионизации). Такие температуры существуют на поверхности Солнца, могут возникать при очень мощных электрических разрядах (молнии), при ядерных взрывах. Такую плазму называют горячей.

Атмосферное электричество. Земля является достаточно хорошим проводником электрического тока (по сравнению с сухим воздухом). На высоте около 50 км ионизирующее космическое излучение обуславливает наличие ионосферы — слоя сильно ионизированного газа. Измерения показывают, что между ионосферой и поверхностью Земли существует огромная разность потенциалов (около 5000000 В), причем ионосфера имеет положительный по отношению к Замле заряд. Наличие разности потенциалов между Землей и “небом” приводит к появлению тока очень малой плотности ( A/ ) даже в таком плохом проводнике как воздух. Полный ток, приходящий на поверхность планеты, весьма велик (ок. А), а выделяемая им мощность сравнима с мощностью всех построенных электростанций ( Вт). Возникают естественные вопросы о механизме поддержания указанной разности потенциалов и о причинах, по которым ее наличие до сих пор никак не используется человеком.

В настоящее время установлено, что основным механизмом, заряжающим “небо” относительно Земли являются грозы. Капли воды и кристаллы льда, перемещаясь вниз к основанию грозовой тучи собирают на себе имеющиеся в атмосфере отрицательные заряды и тем самым заряжают нижнюю часть грозового облака отрицательным электричеством до потенциалов, во много раз превосходящих потенциал Земли. В результате между Землей и тучей возникает очень большое электрическое поле, направленное в противоположную сторону по сравнению с полем, существующем в безоблачную погоду. Вблизи выступающих с поверхности Земли проводящих предметов это поле еще усиливается и оказывается достаточным для ионизации газа, которая нарастает по лавинообразному закону. В результате возникает очень мощный электрический разряд, называемый молнией. Вопреки бытующему мнению, молния начинается на Земле и бьет в тучу, а не наоборот.

Характерное для ясной погоды электрическое поле напряженностью 100В/м не удается не только использовать, но даже ощутить, хотя на равной росту человека высоте при его отсутствии оно создает разность потенциалов около 200В. Причиной этого является низкая проводимость воздуха и, как следствие, малые плотности текущих на поверхность Земли токов. Введение в электрическую цепь хорошего проводника (человека), шунтирующего двухметровый воздушный столб, практически не изменяет суммарного сопротивления цепи “небо-Земля”, ток в которой остается неизменным. Вызываемое им падение напряжения на теле человека составляет около U=IR=0.2мкВ, что лежит значительно ниже порога чувствительности нашего организма.

Читайте также:  Каким током питаются электродвигатели троллейбуса

Электрический ток в живых тканях. Важная роль электрических импульсов для жизнедеятельности организмов предполагалась еще более 200 лет назад. Сейчас известно, что эти импульсы используются для обеспечения управления работой органов и передачи информации между ними в процессе жизнедеятельности. Роль кабелей для передачи сигналов в сложнейшем “биологическом компьютере” играют нервы, основу которых составляют узко специализированные клетки — нейроны. Основные функции этих клеток — прием, обработка и усиление электрических сигналов. Нейроны связываются друг с другом в “сеть” при помощи специальных удлиненных выростов — аксонов, выполняющих функции проводников. Исследования распространения электрических сигналов в аксонах выполнялись совместно биологами, химиками и физиками в 30-60 годах нашего века и явились одним из первых удачных примеров плодотворного сотрудничества представителей смежных естественных наук.

Как оказалось, свойства электрических импульсов, распространяющихся в аксонах существенно отличаются от привычных для электротехники: 1) скорость распространения импульсов по аксону оказывается на несколько порядков меньше характерных для металлических; 2) после прохождения электрического импульса существует “мертвое” время, в течение которого распространение следующего импульса невозможно; 3) существует пороговое значение напряжения (импульсы с амплитудой ниже пороговой не распространяются); 4) при медленном нарастании напряжения даже до превышающего порог значения импульс по аксону не передается (“аккомодация”).

Перечисленные нехарактерные для традиционной электротехники особенности проводимости аксонов нашли объяснения в рамках весьма специфического электро-химического механизма, центральная роль в котором принадлежит полу проницаемой для ионов клеточной мембране, отделяющей содержащий аномально высокую концентрацию ионов K+ и низкую — Na+ внутренний объем клетки (и ее аксона) от окружающей среды, заполненной физиологическим раствором. В результате хаотического теплового движения частиц через границу между областями с различными концентрациями положительных ионов возникают диффузионные потоки (K+ — из клетки, Na+ — внутрь ее), скорости которых регулируются проницаемостью клеточной мембраны и электрической разностью потенциалов по обе стороны от нее. Изменения проницаемости мембраны для каждого из ионов приводит к изменению количества заряженных частиц, пересекающих границу и, следовательно, к изменению электрического потенциала аксона относительно внешней среды. Как показали опыты, проводимость участка мембраны изменяется в зависимости от приложенной к нему разности потенциалов. Т.о. подаваемый на участок аксона электрический импульс изменяет на небольшое время (зависящее от свойств аксона) проводимость мембраны, что ведет к перераспределению зарядов, усилению импульса и формированию его заднего фронта. При этом аксон одновременно играет роль проводника и “усиливающих подстанций — ретрансляторов”, что позволяет избежать затухания сигналов, передаваемых в организме на достаточно большие расстояния.

Интересно, что весьма сходную проблему с той, что была решена природой, незадолго до раскрытия механизма проводимости аксона пришлось решать в радиотехнике при попытке организовать транс Атлантическую кабельную связь. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в длинной линии, кабель пришлось разделить на сравнительно короткие звенья, между которыми были помещены усилители. Опыт, накопленный физиками при создании длинных линий кабельной связи существенно облегчил решение проблемы о механизме электропроводности аксона.

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

Источник

Электрический ток в различных средах

Электрический ток в различных средах

Одним из параметров, характеризующих электрический ток, является его проводимость, которая меняется в зависимости от внешних условий. В каждом конкретном случае степень проводимости может меняться, поэтому, для изучения и более глубокого понимания протекающих процессов используется таблица электрического тока в средах. С ее помощью можно более наглядно узнать и представить себе, какими качествами обладает электрический ток в тех или иных случаях.

электрический ток в средах таблица

Фактически, электрический ток может протекать в пяти разных видах среды:

  1. Металлы.
  2. Вакуум.
  3. Полупроводники.
  4. Жидкости.
  5. Газы.

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение электронов, которые перемещаются в указанном направлении под воздействием электрического поля. Многочисленные проведенные опыты показали, что в процессе перетекания токов ионы самого металла остаются на месте и участия в перемещении заряда не принимают. Все металлы, находящиеся в твердом состоянии, обычно имеют кристаллическое строение. Положительные ионы закреплены в узлах кристаллической решетки, а все остальное пространство заполнено свободными электронами.

Электроны никак не связаны с ядрами. При этом ситуация внутри металла уравновешена, так как суммарный отрицательный заряд свободных электронов в нормальном состоянии по своему абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов, составляющих структуру решетки. Таким образом металлы в обычном своем состоянии электрически нейтральны, и все свободные электроны внутри структуры осуществляют хаотичное движение.

Как только в металле формируется электрическое поле, свободные электроны начинают, поз воздействием внешних электрических сил, совершать направленное движение. Так появляется электрический ток. Примечательно, что направленное движение этих электронов продолжается в хаотичном порядке.

электрический ток в разных средах

Как только в проводнике возникнет электрическое поле, оно распространяется по всей длине проводника с огромной скоростью (скорость перемещения электрического тока близка к скорости света, а это 300 тысяч км. в секунду)!

Электрический ток в вакуумной среде

Отличительная особенность вакуума – отсутствие заряженных частиц. Фактически – это диэлектрик. Свободные электроны в огромных количествах присутствуют в металлах. Если температура окружающей среды близка к комнатной, электроны (в соответствии с законами кулоновского притяжения) не могут покинуть металл, оставаясь в его структуре. Но как только начинается процесс нагрева металла, из него в больших количествах начинают вылетать электроны. Этот процесс получил название термоэлектронная эмиссия. Чтобы инициировать ее в вакуум в качестве одного из электродов помещают тончайшую проволочную нить, изготовленную из особо тугоплавкого типа металла (это, так называемая, нить накала). При подключении к источнику питания из этой нити начинают вылетать раскаленные электроны, которые попадают в электрическое поле, расположенное между двумя электродами. Начинается упорядоченное движение, создается электрический ток.

Читайте также:  Как работает электровоз переменно постоянного тока

тема электрический ток в различных средах

Данное явление послужило основой для работы электронных ламп, диодов, триодов, работающих в вакууме.

Электрический ток в средах-полупроводниках

Полупроводники – это вещества, находящиеся в некоем среднем состоянии между проводниками и диэлектриками. (Типичный пример – кристаллы кремния или германия). Здесь при соединении атомов друг с другом существует ковалентная связь. Эта связь нарушается в момент нагревания материала, а атомы ионизируются. В результате появляется все больше свободных электронов, а также свободных мест («дырок») положительного заряда.

электрический ток в различных средах

Подобным образом «дырки» появляются и в соседних атомах. Более того, эти дырки, наряду со свободными электронами начинают свободно перемещаться по кристаллу. В результате, после помещения кристалла в электрическое поле, начинается упорядоченное движение вышеперечисленных частиц, возникает электрический ток.

Электрический ток в различных средах: жидкости

Жидкими проводниками второго типа считаются растворы солей, оснований и кислот. Отметим, что в данном перечне отсутствует вода. Дело в том, что в чистом виде молекулы в воде имеют полярность, что присуще диэлектрикам. Таким образом для создания условий существования электрического тока в жидкости необходимо привнести извне вещество, которое и предоставит свободные носители для перемещения заряда.

электрический ток в различных средах таблица

Электрический ток в различных средах: газы

В нормальных стандартных условиях гады представляют собой нейтральные молекулы, которые по сути являются диэлектриками. Чтобы получить ток, необходимо оторвать молекулы от атома, «ионизировать» среду. Это достигается как методом нагрева, так и различными способами облучения. В результате, формируется три типа носителей зарядов

  • положительные ионы;
  • отрицательные ионы;
  • электроны.

Упорядоченное движение этих частиц также начинается под воздействием внешнего электрического поля. Но здесь наблюдается разнонаправленное движение, одни движутся к катоду, другие – к аноду.

электрический ток в средах

Общие выводы

Таким образом, рассматривая тему как распространяется электрический ток в разных средах, можно отметить: в газах упорядоченное движение начинается под воздействием электрического поля.

Электрический ток в различных средах – растворы и расплавы электролитов. Многие электролиты в обычном своем состоянии являются диэлектриками. Но после растворения их в воде, эти вещества становятся проводниками. Данный процесс получил название электролитической диссоциации. Электрический ток в разных средах раствором протекает под воздействием внешнего электрополя. При этом одни ионы движутся к катоду, а другие – к аноду.

Подведем итог

Наиболее наглядно помогает увидеть, как протекает электрический ток в различных средах таблица. Очевидно, что условия протекания зависят от структуры материала, но процесс всегда начинается под воздействием внешним.

Источник



Условия существования и характеристики постоянного электрического тока

Электрическим током называется любое упорядоченное движе-ние электрических зарядов. В проводнике под действием приложен-ного электрического поля свободные электрические заряды переме-щаются: положительные – по полю, отрицательные – против поля, т. е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости.Свободными носителями электрических зарядов в ме-таллах являются электроны, в электролитах – положительные и отри-цательные ионы, в газах – электроны и положительные ионы, в полу-проводниках – электроны и дырки.

Для возникновения и существования электрического тока необхо-димо наличие:

а) свободных носителей заряда, способных перемещаться упоря-доченно;

б) электрического поля, энергия которого должна каким-то обра-зом восполняться.

Количественной характеристикой электрического тока являетсясила тока. Сила тока – это скалярная физическая величина I, опреде-ляемая электрическим зарядом dq, проходящим через поперечное се-чение проводника S в единицу времени dt:

I dq . (5.1.1)
dt

Если сила тока и его направление не изменяются во времени, то ток называется постоянным, или стационарным. Сила постоян-ного тока

I q . (5.1.2)
t

Сила постоянного тока во всех сечениях проводника одинакова. Единица силы тока – ампер (1 А = 1 Кл/с).

Электрический ток может быть распределен по поверхности, че-рез которую он течет, неравномерно. Для характеристики направле-ния электрического тока в разных точках рассматриваемой поверхно-сти и распределения силы тока по этой поверхности служит вектор

плотности тока j.Сила тока сквозь произвольную поверхность оп-ределяется как поток вектора плотности тока:

IjdS. (5.1.3)
S

Вектор плотности тока –это физическая величина,численноравная силе тока dI, проходящей через единицу площади dS попереч-ного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока:

j dI , (5.1.4)
dS
где dS = dS cos .
Тогда dI jdS cos j dS j ndS, где n – единичный вектор,
n – проекция вектора на на-
нормальный к площадке dS; jn = j cos j
правление нормали n .
Для постоянного тока, текущего перпендикулярно сечению про-
водника,
j I . (5.1.5)
S

Плотность постоянного тока одинакова по всему поперечному се-чению S однородного проводника.

Вектор плотности электрического тока совпадает по направлению с движением положительно заряженных частиц. Плотность тока изме-ряется в амперах на квадратный метр (1 А/м 2 ).

Выразим силу и плотность тока через среднюю скорость упоря-доченного движения свободных носителей заряда в проводнике. Пусть за время dt через поперечное сечение проводника переносится заряд dq = ne u Sdt. Следовательно, сила тока

I dq ne u Sdt I ne u S, (5.1.6)
dt dt

где n – концентрация свободных носителей заряда; e – элементарный заряд; – средняя скорость носителей заряда.

Для плотности тока

I
j ne u j ne u . (5.1.7)
S

Таким образом, плотность тока пропорциональна средней скоро-сти носителей заряда.

Источник