Что такое электрический ток? В учебнике физики есть определение:
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля. Частицами могут быть: электроны, протоны, ионы, дырки.
В академических учебниках определение описывается так:
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это скорость изменения электрического заряда во времени.
- Заряд электронов отрицателен.
- протоны — частицы с положительным зарядом;
- нейтроны — с нейтральным зарядом.
СИЛА ТОКА – это количество заряженных частиц (электроны, протоны, ионы, дырки), протекающих через поперечное сечение проводника.
Все физические вещества, в том числе металлы состоят из молекул, состоящих из атомов, которые в свою очередь состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. Во время химических реакций электроны переходят от одних атомов к другим, поэтому, атомы одного вещества испытывают недостаток в электронах, а атомы другого вещества имеют их избыток. Это означает, что вещества имеют разноименные заряды. В случае их контакта, электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое. Именно это перемещение электронов и есть ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК . Ток, который будет течь, до тех пор, пока заряды этих двух веществ не уравняются. Взамен ушедшего электрона приходит другой. Откуда? От соседнего атома, к нему — от его соседа, так до крайнего, к крайнему — от отрицательного полюса источника тока (например — батарейки). С другого конца проводника электроны уходят на положительный полюс источника тока. Когда все электроны на отрицательном полюсе закончатся, ток прекратится (батарея «села»).
Электрический ток нагревает проводник, по которому течёт. Поэтому:
1. Если бытовая электрическая сеть испытывает перегрузку, изоляция постепенно обугливается и осыпается. Возникает возможность короткого замыкания, которое очень опасно.
2. Электрический ток, протекая по проводам и бытовым приборам, встречает сопротивление, поэтому «выбирает» путь с наименьшим сопротивлением.
3. Если происходит короткое замыкание, сила тока резко возрастает. При этом выделяется большое количество тепла, способное расплавить металл.
4. Короткое замыкание может произойти и из-за влаги. Если в случае с коротким замыканием происходит пожар, то в случае с воздействием влаги на электроприборы в первую очередь страдает человек.
5. Удар электричеством очень опасен, вероятен смертельный исход. При протекании электрического тока через организм человека, сопротивление тканей резко уменьшается. В организме происходят процессы нагревания тканей, разрушения клеток, отмирания нервных окончаний.
Как обезопасить себя от поражения электрическим током
Чтобы обезопасить себя от воздействия электрического тока, используют средства защиты от поражения электрическим током : работают в резиновых перчатках, используют резиновый коврик, разрядные штанги, устройства заземления аппаратуры, рабочих мест. Автоматические выключатели с тепловой защитой и защитой по току, так же являются не плохим средством защиты от поражения током, способным сохранить жизнь человека. Когда я не уверен в отсутствии опасности поражения электрическим током, при выполнении не сложных операций в электрощитовых, блоках аппаратуры, я как правило работаю одной рукой, а другую руку ложу в карман. Тем самым исключается возможность поражения током по пути рука-рука, в случае случайного прикосновения к корпусу щита, или другим массивным заземлённым предметам.
Для тушения пожара, возникшего на электрооборудовании используют только порошковые или углекислотные огнетушители. Порошковые тушат лучше, но после засыпания аппаратуры пылью из огнетушителя, эту аппаратуру не всегда возможно восстановить.
Определение 1
Ток является процессом, при протекании которого (под непосредственным влиянием электрического поля) начинает осуществляться движение некоторых заряженных частиц.
Такими заряженными частицами могут выступить разные элементы (все будет зависеть от ситуации). В случае с проводниками, например, в роли таковых частиц, выступят электроны.
Понятие силы тока
Сила электрического тока будет представлять величину, характеризующую порядок движения электрических зарядов, численно равную количеству заряда $\delta q$, который при этом протекает сквозь определенную поверхность $S$, (представляющую поперечное сечение проводника) за единицу времени:
$I=\frac{\delta q}{\delta t}$
С целью определения силы тока $I$, требуется разделить электрический заряд $\delta q$, прошедший через поперечное сечение проводника за время $\delta t$, на это время.
Сила тока будет зависимой от заряда, переносимого посредством всех частиц, скорости их ориентированного в конкретном направлении движения и площади поперечного проводникового сечения.
Рассмотрим проводник с площадью поперечного сечения $S$. Заряд всех частиц обозначим $q_о$. В объеме проводника, ограниченного двумя сечениями, содержится $nS\delta l$ частиц, где $n$ представляет их концентрацию. Их общий заряд окажется таким:
$q={q_о}{nS\delta I}$
При условии движения частиц со средней скоростью $v$, за время $\delta t=\frac{\delta I}{v}$ все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, успеют пройти через второе поперечное сечение, что означает соответствие силы тока расчетам по такой формуле:
$I={q_о}{nvS}$, где:
- $I$ - обозначение силы электричества, измеряется в Амперах (А) или Кулонах/секунду;
- $q$ - заряд, идущий по проводнику, единица измерения Кулоны (Кл);
В СИ единицу силы тока считают основной, а называется она ампер (А). Измерительным прибором выбран амперметр, чей принцип работы основывается на магнитном действии тока.
Замечание 1
При оценке скорости упорядоченного движения электронов внутри проводника, выполненная, согласно формуле для медного проводника при площади поперечного сечения в один квадратный миллиметр, мы получаем незначительную величину (0,1мм/с).
Отличие силы тока от напряжения
В физике различают такие понятия, как «сила тока» и «напряжение». Между ними существуют некоторые отличия, рассмотрение которых играет важное значение для понимания принципа действия силы тока.
Под «силой тока» понимается некоторое количество электричества, «напряжением», в то же время считается мера потенциальной энергии. При этом данные понятия достаточно сильно взаимозависимы. Важнейшими факторами, влияющими на них, являются:
- материал проводника;
- температура;
- внешние условия.
Различия можно наблюдать также и в способе их получения. Если в случае воздействия на электрические заряды создается напряжение, ток возникнет уже за счет действия напряжения между точками схемы. Также существует различие и в сравнении с таким понятием, как «энергопотребление». Оно будет заключаться именно в мощности. Так, если напряжение требуется для характеристики потенциальной энергии, то ток уже будет характеризовать энергию кинетическую.
Способы определения силы тока
Вычисляется сила тока на практике с задействованием специальных измерительных приборов либо посредством отдельных формул (при условии наличия исходных данных). Основной формулой, согласно которой рассчитывается сила тока, выглядит следующим образом:
Существование электричества может быть постоянным (например, содержащийся в батарейке ток), а также переменным (ток в розетке). Освещение помещений и работа всех приборов электрического типа происходит именно посредством воздействия переменного электричества. Основным отличием переменного тока от постоянного выступает его более сильная склонность к трансформации.
Наглядным примером действия переменного тока может также послужить эффект включения люминесцентных ламп. Так в процессе включения такой лампы начинает осуществляться движение заряженных частиц то вперед, то назад, что объясняет действие переменного тока. Именно данный вид электричества считается наиболее распространенным в быту. Соответственно закону Ома, силу тока рассчитывают по формуле (для участка электроцепи):
Сила тока, таким образом, оказывается прямо пропорциональна напряжению $U$, измеряемому в Вольтах, к участку цепи и обратно пропорциональной $R$-сопротивлению проводника указанного участка, выражаемому в Омах. Расчет силы электричества в полной цепи рассчитан таким образом:
$I=\frac{E}{R+r}$, где:
- $Е$ - электродвижущая сила, ЭДС, Вольт;
- $R$ - внешнее сопротивление, Ом;
- $r$ - внутреннее сопротивление, Ом.
Основными способами определения силы тока посредством систем приборов на практике являются следующие:
- Магнитоэлектрический измерительный метод. Его преимуществами выступают высокая чувствительность и точность показаний при незначительном энергопотреблении. Указанный способ применим исключительно при определении величины силы постоянного тока.
- Электромагнитный способ заключается в нахождении силы токов переменного и постоянного типов путем процесса трансформации из электромагнитного поля в сигнал магнитного модульного датчика.
- Косвенный метод направлен на определение за счет вольтметра напряжения при определенном сопротивлении.
Замечание 2
С целью нахождения силы тока, на практике зачастую применяется специальный прибор амперметр. Такое устройство включается в разрывы электроцепи в требуемой точке измерения силы электрозаряда, прошедшего за некоторое время через сечение провода.
При определении величины силы малого электричества применяют миллиамперметры, микроамперметры, а также гальванометры, также подключаемые к определенному месту в цепи, где необходимо найти силу тока. Подключение может быть выполнено двумя способами:
- последовательным;
- параллельным.
Определение силы тока, который потребляется, считается не так часто востребованным, как измерение напряжения или сопротивления. В то же время, без вычисления физической величины силы тока становится невозможным расчет потребляемой мощности.
16. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока
Электрический ток - направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.
Сила тока (I) - скалярная величина, равная отношению заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени (t), в течение которого шёл ток.
I=q/t, где I- сила тока, q - заряд, t - время.
Единица измерения силы тока в системе СИ: [I]=1A (ампер)
17. Источники тока. Эдс источника
Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
ЭДС - энергетическая характеристика источника. Это физическая величина, равная отношению работы, совершенной сторонними силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи, к этому заряду:
Измеряется в вольтах (В).
Источник ЭДС - двухполюсник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, протекающего через источник и равно его ЭДС. ЭДС источника может быть задана либо постоянным, либо как функция времени, либо как функция от внешнего управляющего воздействия.
18. Закон Ома : сила тока, текущего по однородному участку проводника, прямо пропорциональна падению напряжения на проводнике:
-закон Ома в интегральной форме R – электрическое сопротивление проводника
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью: Единица, обратная Ом, называется Сименсом [См].
- закон Ома в дифференциальной форме.
19. Обобщенный закон Ома
Обобщенный закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участке цепи постоянного тока, содержащем резистор и идеальный источник ЭДС (рис.1.2):
Формула справедлива для указанных на рис.1.2 положительных направлений падения напряжения на участке цепи (Uab ), идеального источника ЭДС (Е ) и положительного направления тока (I ).
Закон Джоуля-Ленца
Выражение закона Джоуля - Ленца
Интегральная форма закона
Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля - Ленца можно записать в упрощенном виде:
Применив закон Ома и алгебраические преобразования, получаем приведенные ниже эквивалентные формулы:
Эквивалентные выражения теплоты согласно закона Ома
Словесное определение закона Джоуля - Ленца
Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля - Ленца можно записать в упрощенном виде:
20. Магни́тное по́ле - силовое поле, действующее на движущиесяэлектрические заряды и на тела, обладающиемагнитным моментом, независимо от состояния ихдвижения; магнитная составляющаяэлектромагнитного поля
Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/илимагнитными моментамиэлектроноватомах (и магнитными моментами другихчастиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени) (постоянные магниты).
Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.
Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля). С математической точки зрения- векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).
Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал .
Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле , проявлениями которого являются, в частности свет и все другие электромагнитные волны .
Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц или изменяющимся во времени электрическим полем , или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам)
Графическое изображение магнитных полей
Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции. Линия магнитной индукции –это линия, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.
| " |
Электрический ток представляет собой направленное движение электрических зарядов. Величина тока определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Одним количеством электричества, проходящим по проводнику, мы еще не можем полностью охарактеризовать электрический ток. Действительно, количество электричества, равное одному кулону, может проходить по проводнику в течение одного часа, и тоже самое количество электричества может быть пропущено по нему в течение одной секунды.
Интенсивность электрического тока ко втором случае будет значительно больше, чем в первом, так как то же самое количество электричества проходит в значительно меньший промежуток времени. Для характеристики интенсивности электрического тока количество электричества, проходящее по проводнику, принято относить к единице времени (секунде). Количество электричества, проходящее по проводнику в одну секунду, называется силой тока. В качестве единицы силы тока в системе принят ампер (а).
Сила тока - количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в одну секунду.
Сила тока обозначается английской буквой I
.
Ампер
- единица силы электрического тока (одна из ),
обозначается А. 1 А равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины
и ничтожно малой площади кругового
сечения, расположенным на расстоянии
1 м один от другого в вакууме, вызвал бы
на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10 –7 Н на каждый метр длины.
Сила тока в проводнике равна одному амперу, если ежесекундно через поперечное сечение его проходит один кулон электричества.
Ампер - сила электрического тока, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное одному кулону: 1 ампер = 1 кулон/1 секунду.
Часто применяют вспомогательные единицы: 1 миллиампер (ма) = 1/1000 ампер = 10 -3 ампер, 1 микроампер (мка) = 1/1000000 ампер = 10 -6 ампер.
Если известно количество электричества, прошедшее через сечение проводника за некоторый промежуток времени, то силу тока можно найти по формуле: I=q/t
Если в замкнутой цепи не имеющей разветвлений, проходит электрический ток, то через любое поперечное сечение (в любом месте цепи) проходит в секунду одно и тоже количество электричества, независимо от толщины проводников. Это объясняется тем, что заряды не могут накапливаться в каком-нибудь месте проводника. Следовательно, сила тока в любом месте электрической цепи одинакова.
В сложных электрических цепях с различными ответвлениями это правило (постоянство тока во всех точках замкнутой цепи) остается, конечно, справедливым, но оно относится только к отдельным участкам общей цепи, которые могут рассматриваться как простые.
Измерение силы тока
Для измерения силы тока служит прибор, который называется амперметром. Для измерения очень малых сил тока применяются миллиамперметры и микроамперметры, или гальванометры. На рис. 1. показано условное графическое изображение амперметра и миллиамперметра на электрических схемах.
Рис. 1. Условные обозначения амперметра и миллиамперметра
Рис. 2. Амперметр
Для того, чтобы измерит силу тока нужно включить амперметр в разрыв цепи (см. рис. 3). Измеряемый ток проходит от источника через амперметр и приемник. Стрелка амперметра показывает силу тока в цепи. Где именно включить амперметр, т. е. до потребителя (считая ) или после него, совершенно безразлично, так как сила тока в простой замкнутой цепи (без разветвлений) будет одинакова во всех точках цепи.
Рис. 3. Включение амперметра
Иногда ошибочно считают, что амперметр, включенный до потребителя, будет показывать большую силу тока, чем включенный после потребителя. В этом случае считают, что «часть тока» тратится в потребителе для приведения его в действие. Это, конечно, неверно, и вот почему.
Электрический ток в металлическом проводнике представляет собой электромагнитный процесс, сопровождаемый упорядоченным движением электронов по проводнику. Однако энергия переносится не электронами, а электромагнитным полем, окружающим проводник.
Через любое поперечное сечение проводников простой электрической цепи проходит в точности одно и то же количество электронов. Какое количество электронов вышло от одного полюса источника электрической энергии, такое же количество их пройдет через потребитель и, конечно, поступит к другому полюсу, источника, ибо электроны как материальные частички израсходоваться при своем движении не могут.
Рис. 4. Измерение силы тока с помощью мультиметра
В технике встречаются очень большие силы тока (тысячи ампер) и очень маленькие (миллионные доли ампера). Например, сила тока электрической плитки примерно 4 - 5 ампер, лампы накаливания - от 0,3 до 4 ампер (и больше). Ток, проходящий через фотоэлементы, составляет всего несколько микроампер. В главных проводах подстанций, дающих электроэнергию для трамвайной сети, сила тока достигает тысяч ампер.
«Физика - 10 класс»
Электрический ток - направленное движение заряженных частиц. Благодаря электрическому току освещаются квартиры, приводятся в движение станки, нагреваются конфорки на электроплитах, работает радиоприемник и т. д.
Рассмотрим наиболее простой случай направленного движения заряженных частиц - постоянный ток.
Какой электрический заряд называется элементарным?
Чему равен элементарный электрический заряд?
Чем различаются заряды в проводнике и диэлектрике?
При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда из одной точки в другую. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит (рис. 15.1, а). Поперечное сечение проводника в среднем пересекает одинаковое число электронов в двух противоположных направлениях. Электрический заряд переносится через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в направленном движении (рис. 15.1, б). В этом случае говорят, что по проводнику идёт электрический ток .
Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
Электрический ток имеет определённое направление.
За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.
Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.
Направление тока совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.
Выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электронов - отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах ещё ничего не знали.
Действие тока.
Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.
Во-первых, проводник, по которому идёт ток, нагревается.
Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника: например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).
В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным .
Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдается лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников.
В лампочке накаливания вследствие прохождения электрического тока излучается видимый свет, а электродвигатель совершает механическую работу.
Сила тока.
Если в цепи идёт электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника всё время переносится электрический заряд.
Заряд, перенесённый в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока .
Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то среднее значение силы тока равно
Средняя сила тока равна отношению заряда Δq прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.
Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным .
Сила переменного тока в данный момент времени определяется также по формуле (15.1), но промежуток времени Δt в таком случае должен быть очень мал.
Сила тока, подобно заряду, - величина скалярная. Она может быть как положительной , так и отрицательной . Знак силы тока зависит от того, какое из направлений обхода контура принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.
Связь силы тока со скоростью направленного движения частиц.
Пусть цилиндрический проводник (рис. 15.2) имеет поперечное сечение площадью S.
За положительное направление тока в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q 0 . В объёме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием Δl между ними, содержится nSΔl частиц, где n - концентрация частиц (носителей тока). Их общий заряд в выбранном объёме q = q 0 nSΔl. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью υ, то за время все частицы, заключенные в рассматриваемом объёме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэтому сила тока равна:
В СИ единицей силы тока является ампер (А).
Эта единица установлена на основе магнитного взаимодействия токов.
Измеряют силу тока амперметрами . Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.
Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.
Найдём скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле (15.2) где е - модуль заряда электрона.
Пусть, например, сила тока I = 1 А, а площадь поперечного сечения проводника S = 10 -6 м 2 . Модуль заряда электрона е = 1,6 10 -19 Кл. Число электронов в 1 м 3 меди равно числу атомов в этом объёме, так как один из валентных электронов каждого атома меди является свободным. Это число есть n ≈ 8,5 10 28 м -3 (это число можно определить, если решить задачу 6 из § 54). Следовательно,
Как видите, скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала. Она во много раз меньше скорости теплового движения электронов в металле.
Условия, необходимые для существования электрического тока.
Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.
Однако этого ещё недостаточно для возникновения тока.
Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определённом направлении.
Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за столкновений с ионами кристаллической решётки металлов или нейтральными молекулами электролитов и электроны будут двигаться беспорядочно.
На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой:
Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.
Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.
Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника в соответствии с формулой (14.21) существует разность потенциалов. Как показал эксперимент, когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток . Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала.