Электрическое поле. электрический ток.

Электрическое поле, электрический ток

Электрическое поле – это вид материи, образующийся вокруг заряженных тел, посредством которого они взаимодействуют друг с другом.
  Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом Кулона: F = k·q1·q2/r2.

При этом если заряженные тела имеют одинаковые заряды, то они отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством их электрических полей.

  Выделяют следующие характеристики электрического поля:

  1. Силовая характеристика – напряжённость электрического поля – это сила, которая действует на единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле: E = F/q . Измеряется в [В/м]

  Если определённый точечный заряд Q образует электрическое поле, то напряжённость этого поля в точке, находящейся на расстоянии r от заряда вычисляется по формуле: E = Q/(4πε0εr2) где Q– заряд, образующий данное электрическое поле;  ε0 = 8,84*10-12 Ф/м- электрическая постоянная;  ε- электрическая проницаемость среды, в которой образуется поле; r -расстояние от точечного заряда до точки, в которой исследуется напряжённость.  За направление напряжённости принимают направление силы, действующей на положительный заряд.

  2. Энергетическая характеристика электрического поля – потенциал. В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.

Потенциал поля в данной точке  – это потенциальная энергия электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу помещённого в эту точку заряда: φ = Wp/q [В] Потенциал поля характеризует возможную работу, которую совершает электрическое поле или которая совершается над электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с другим потенциалом: Δφ = A/q.

Поскольку работа будет совершаться только при перемещении заряда между точками, обладающими неодинаковыми потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность потенциалов, или напряжение между двумя точками электрического поля. Поэтому, когда употребляют термин ″потенциал″, имеют в виду разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства, потенциал которой можно считать равным 0. При этом потенциал в данной точке поля, созданного точечным зарядом Q, равен: φ = Q/(4πε0εγ) и , если потенциал создается большим числом зарядов, то φ = ∑φ.
Только разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра. Считают, что напряженность электрического поля – отрицательный градиент потенциала.

2. Действие электрического поля на вещества

Действие электрического поля на различные вещества неодинаково и зависит от их внутреннего строения. По этому действию все вещества делят на: — проводники электрического тока — полупроводники — изоляторы, или диэлектрики.

Проводники характеризуются тем, что в них под действием электрического поля образуется электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Это происходит благодаря тому, что в проводниках имеются свободные заряды.

Существуют проводники 1 рода (металлы, в которых есть свободные электроны) и 2 рода (растворы электролитов, в которых свободными зарядами являются положительно заряженные ионы – катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы). Полупроводники при обычной температуре имеют мало свободных зарядов.

Причём когда электроны в полупроводниках становятся свободными, то на их месте образуется дырка – избыток положительного заряда. Поэтому носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.

В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического поля в них не возникает электрического тока, но возникает явление, называемое поляризацией диэлектрика – приобретение диэлектриком полярности за счёт разделения в нём положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Поляризация существует в 3 вариантах: ориентационная, электронная и ионная.

Указанные различия хорошо описываются зонной теорией твёрдых тел, или квантовой теорией энергетического спектра электронов в кристалле. Согласно теории в кристалле существуют запрещённые и разрешённые энергетические зоны для электронов. Нижние зоны заполнены полностью электронам. Физические свойства кристаллов определяются верхними зонами, содержащими электроны. Если между верхней зоной и следующей разрешённой зоной запрещённая зона узкая (энергетический интервал невелик), то вещество является проводником, а если запрещённая зона велика – то диэлектриком.

3. Электрический ток

Основной характеристикой электрического тока является

сила тока

– количество заряда, пересекающее поперечное сечение проводника за единицу времени.  I

ср

= Δq/Δt или для мгновенной силы тока : I

= dq/dt. Единицей измерения силы тока является ампер (

A

). 1 ампер – сила тока, когда заряд 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду. Часто используют миллиампер (

мА

). 1

мА

= 0,001

A

. Обычно за направление электрического тока в проводнике принимают направление движения положительных зарядов.

Другой величиной, характеризующей электрический ток, является плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу площади проводника. Измеряется в амперах на квадратный метр: J = I/S.  

Различают:

— Постоянный ток – электрический ток, параметры которого (сила и направление) не изменяются во времени. Источниками постоянного тока являются генераторы, которые поддерживают постоянную разность потенциалов на концах проводника.
— Переменный ток – электрический ток, параметры которого изменяются во времени по закону синуса или косинуса. Электрический ток, передаваемый в потребительской электросети, представляет собой синусоидальное колебание частотой 50 Гц: I = Imax·cos(ωt + φ0).
Основным законом, описывающим постоянный электрический ток, является закон Ома: сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов между его концами, или электрическому напряжению (U):  I = U/R.
Величина R называется электрическим сопротивлением. Сопротивление является свойством проводников препятствовать прохождению через него электрического тока, при этом электрическая энергия превращается в тепловую энергию. Сопротивление возникает из-за столкновения заряженных частиц (носителей тока) с внутренними структурами проводника – атомами и молекулами. Единицей измерения сопротивления является Ом. Обратная величина сопротивлению называется электрической электропроводностью (D). Для многих веществ сопротивление является постоянной величиной, независимой от силы тока. Сопротивление проводника является функцией его размера, формы, строения и температуры. Величина сопротивления провода: R = ρ(1/S) (5)

, где l – длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника. Константа прямой пропорциональности ρ  называется удельным сопротивлением [ом·м] . Она зависит только от свойств вещества и температуры. Обратной величиной удельному сопротивлению является удельная электропроводность (γ) [ом-1·м-1]  .

На основе удельной электропроводности характеризуют свойство веществ проводить электрический ток. Хорошие проводники тока имеют высокую удельную электропроводность. Изоляторы, или диэлектрики, имеют низкую удельную электропроводность. Полупроводники имеют промежуточную удельную электропроводность. Используя удельную электропроводность, как характеристику вещества, можно представить закон Ома в другой форме: J = γE.
Из формулы следует, что плотность тока в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля (Е), создающего этот ток, и удельной электропроводности вещества проводника (γ).

Удельная электропроводность электролитов и биологических тканей

Плотность тока в растворе электролитов определяется электрическим зарядом положительных и отрицательных ионов, их концентрациями и скоростями движения в электрическом поле: J = q+n+v+ + q-n-v.

Если принять, что концентрация и величина электрического заряда положительных и отрицательных ионов равны, то  J = qn(v+ + v-)(8)
Скорость v ионов  пропорциональна напряженности электрического поля E и зависит от подвижности ионов u, которая, в свою очередь, является функцией размера, степени гидратации ионов, вязкости растворителя: v = uE (9)

Тогда     J = qn(u+ + u-)·E    (10).

Это выражение является  законом Ома для растворов электролитов. Хотя сопротивление биологических тканей постоянному электрическому току велико, и по удельной электропроводности биологические ткани близки к диэлектрикам, для объяснения различий в электропроводности различных тканей, их рассматривают как проводники 2 рода, носителями заряда в которых служат ионы. Биологические ткани не различаются существенно по их ионному составу, но отличаются условиями ионного перемещения. Поэтому ткани разнородны с точки зрения их электрических свойств. Мембраны клеток препятствуют перемещению ионов. Их электрическое сопротивление является наибольшим. Кровь, лимфа, цереброспинальная жидкость характеризуются низким сопротивлением электрическому току. Внутренние органы, содержащие много воды (мышцы, печень, почки, и т.п.), также имеют сравнительно низкое сопротивление. Но сопротивление таких тканей, как кожа и кости, очень высокое. Постоянный электрический ток плохо проникает через сухую кожу. Он распространяется в теле человека, главным образом, вдоль кровеносных и лимфатических сосудов и через мышцы. Причиной высокого сопротивления биологических тканей постоянному электрическому току – наличие статической ёмкости вследствие изоляционных свойств мембран и явления поляризации, происходящие в клетках, в результате которых возникает встречная эдс, препятствующая прохождению через ткань тока. Причём при малых значениях силы тока он не проходит через ткань вследствие влияния этой ЭДС, а при больших – происходит дезинтеграция (разрушение) клеточных структур, в результате чего сопротивление падает, однако дальнейшие исследования не имеют смысла. Поляризация – разделение положительных и отрицательных зарядов. многие полагают, что явление поляризации связано с наличием полупроницаемых мембран. Под действием электрического поля ионы начинают перемещаться, но не могут проникнуть через мембрану, в результате у внутренней поверхности мембраны возникает разделение зарядов. Внутри клетки образуется поляризационное поле. Как только его напряженность компенсирует внешнее поле перемещение ионов прекращается. Соответственно этому на внешней стороне мембраны концентрируются противоположно заряженные частицы. Другие, рассматривая клетки как слоистый диэлектрик, рассматривают явления поляризации как результат гетерогенности клеточных элементов по электропроводности, а также поляризацию связывают с дипольными молекулами (ориентация диполей вдоль силовых линий поля).

Постоянный ток используют в медицинской практике, для реализации двух методов – гальванизации и лекарственного электрофореза.

Переменный ток. Полное сопротивление

Электрические цепи переменного тока включают такие основные электрические компоненты как резисторы, конденсаторы и индукторы. Их специфические свойства — сопротивление, емкость и индуктивность.  

Емкость. Если два проводника (пластины металла) разделены посредине изоляцией, они способны накапливать некоторое количество электрического заряда. Величина, равная отношению суммарного заряда, накопленного на пластинах, к разности потенциалов между пластинами называется емкостью (измеряется в Фарадах (F):   C = q/U (13).

 

Индуктивность. Индуктивность L связана с наличием магнитного поля вокруг провода или катушки, через которые проходит электрический ток. Переменное магнитное поле порождает эдс (электродвижущую силу) самоиндукции, которая препятствует изменению силы тока в проводнике:

ε = -L·dl/dt (14),   где ε — электродвижущая сила, dl/dt — мгновенная скорость изменения силы тока, L — индуктивность, которая зависит от геометрии цепи и от магнитных свойств вещества проводника и среды. Индуктивность измеряется в Генри (Г).  

Реактанс (или реактивное сопротивление). Ранее упоминалось, что сопротивление является свойством электрической цепи препятствовать прохождению через нее электрического тока и что электрическая энергия при этом превращается в тепловую. Реактанс — мера сопротивления переменному электрическому току.

Реактанс связан с емкостью и индуктивностью некоторых частей цепи. Он не превращает электрическую энергию в энергию тепла. Реактанс присутствует дополнительно к сопротивлению, если через проводники протекает переменный ток. Когда в цепи течет постоянный электрический ток, то он подвергается только активному сопротивлению, но не реактансу.

Реактанс бывает двух типов: индуктивный и емкостной.

 

Емкостной реактанс XC является обратной величиной произведения угловой (циклической) частоты тока и емкости этой части цепи: XC = 1/(ω·C)(15).

  Доказано, что индуктивный реактанс приводит к тому, что изменения напряжения в электрической цепи опережают изменения силы тока на четверть периода (π/2). Это можно объяснить тем, эдс самоиндукции препятствует нарастанию силы тока в цепи. Наоборот, емкостной реактанс приводит к тому, что изменения напряжения в электрической цепи отстают от изменения силы тока на четверть цикла (π/2). На рис. 3. проиллюстрировано данное явление.

Поэтому общий реактанс X представляет собой разность индуктивного и емкостного реактансов:  X = XL — XC.

Если суммировать активное сопротивление и общий реактанс, который препятствует прохождению переменного тока в электрической цепи, получим величину, которая называется полным сопротивлением Z – импедансом: Источники:

http://www.all-fizika.com/article/index.php?id_article=1979

Источник: http://kineziolog.su/content/elektricheskoe-pole-elektricheskii-tok

Электрическое поле, ток и его источники

В природе существуют два рода электрических зарядов – положительные и отрицательные. Носителями отрицательных зарядов являются электроны, положительных – протоны. Заряды электрона и протона равны по величине элементарному заряду e и противоположны по знаку. За единицу измерения заряда (в международной системе СИ) принят кулон.

Каждый заряд создает вокруг себя электростатическое поле, соответственно, между электрически заряженными телами действуют силы. Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, разноименные – притягиваются.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность поля E, а энергетической – потенциал φ.

Разность потенциалов между двумя точками электрического поля называется напряжением: U = φ1 – φ2, которое в системе СИ измеряется в Вольтах.

Силой тока I или просто током в момент времени t называется отношение I = Δq / Δt, где Δq – заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время Δt.

Величина тока измеряется в единицах Ампер.

Напряжение U между двумя произвольными точками электрической цепи – это разность потенциалов между этими точками. Иногда напряжение на участке цепи называют падением напряжения.

Для участка однородной цепи, где не действуют сторонние силы, справедлив закон Ома. «Ток, протекающий в участке цепи прямо пропорционален напряжению U, приложенному к участку и обратно пропорционален сопротивлению участка R»: I = U / R.

Переменный ток.

В случае, если величина тока изменяется с течением времени, то такой ток называют переменным. Чаще всего переменный ток изменяется во времени в соответствии с синусоидальным законом (см. рисунок 5.1.а.) – т.е. i= Im·sin(ω·t).

Величина Im называется амплитудой и представляет собой максимальное значение, которое может принимать ток, ω— циклическая частота.

Циклическая частота ω, линейная частота f и период Т (время между двумя соседними равными значениями тока в синусоиде-Рисунок 5.1.а) связаны между собой соотношением ω = 2·π·f = 2·π / T.

Частота f в системе СИ измеряется в Герцах .Для сетей РФ и большинства других странf= 50 Гц.

Рисунок 5.1.а- График зависимости величины переменного тока от времени

Источники тока.

Особенностью постоянного тока является возможность его непосредственного получения с помощью химических и тепловых генераторов. Источником электрического тока называется устройство, поддерживающее разность потенциалов на концах электрической цепи. Это происходит за счет работы сторонних сил, т.е. сил неэлектрической природы.

Переменный ток, в основном, получают с помощью генераторов. Генератор – это преобразователь механической энергии в электрическую. Он представляет собой электрическую машину, основными элементами которой являются подвижная часть (ротор) и неподвижная часть (статор). Ротор, вращаясь за счет механической энергии, создает на выводах статора электрическую энергию (ток).

Источниками механической энергии могут служить вода, ветер, полезные ископаемые.

Принцип работы генераторов основан на явлении электромагнитной индукции – в любом замкнутом контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока.

В проводящем контуре ЭДС индукции приводит к появлению индукционного тока. Простейшие модели, поясняющие принципы работы и отличия генераторов переменного и постоянного тока представлены на рисунках 5.1.б-в соответственно.

Рисунок 5.1.б — Генератор переменного тока

Рисунок 5.1.в — Генератор постоянного тока

Основными элементами конструкции генераторов являются: индуктор – магнит или электромагнит, создающий магнитное поле, якорь – обмотка, в которой при изменении магнитного потока возникает индукционная ЭДС и щетки – подвижные контакты для снятия тока с вращающейся части генератора.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, неподвижная – статором. При вращении витка в магнитном поле (рисунок 5.1.б) пронизывающий его магнитный поток все время изменяется, а, следовательно, в витке возникает индукционная ЭДС, которая является переменной по величине.

Таким образом, ток, получаемый от индукционного генератора, является переменным. Генератор постоянного тока (рисунок 5.1.в) представляет собой обычный индукционный генератор, снабженный коллектором – специальным устройством, дающим возможность превратить переменное напряжение на щетках генератора в постоянное (по знаку, но не величине).

При каждом полуобороте рамки концы ее переходят с одной щетки на другую.

Напряжение на клеммах генератора хоть и является прямым, т.е. не меняет своего направления, но по величине все время пульсирует от нуля до максимального значения. Чтобы сгладить эти пульсации и сделать напряжение не только прямым, но и постоянным по величине, якорь генератора составляют из большого числа отдельных катушек или секций, сдвинутых на определенный угол друг относительно друга. Схема генератора изображена на рисунке 5.3.б.

Дата добавления: 2018-05-10; просмотров: 505;

Источник: https://poznayka.org/s108065t1.html

Что такое электрический ток?

Каждому обывателю знакомы на слух электрические величины — ток, напряжение, — от них зависит работа бытовых приборов, но полное понимание определения электротока есть у немногих людей.

Показательно сравнение электрического тока с течением реки, только в нем двигаются частицы, имеющие заряд, а в реке — вода.

Надо понимать, что ток движется только в одном направлении, для его существования должны быть созданы условия, рассмотрим эти процессы подробней.

Основные определения

Электричество каждый день окружает нас, но что такое электрический ток и связанные с ним величины — понимает не каждый человек, однако они важны для повседневной жизни. Есть несколько толкований понятия электротока:

1. Принятое в школьном учебнике определение, что электрический ток — это движение частиц, имеющих заряд за счет воздействия на них электрического поля. Частицами являются: протоны, дырки, электроны, ионы.
2. В электрической литературе высших учебных заведений пишется, что электрический ток это — скорость, с которой заряд изменяется с течением времени. Принимается отрицательный заряд электронов, положительный у протонов и нейтральный у нейтронов.

Схема протекания электротока в цепи:

Схема протекания электротока в цепи

В электротехнике специалисты отмечают значение такого понятия, как сила тока — это количество частиц, имеющих заряд, которые проходят через сечение проводника с течением времени.

Движение тока в проводнике можно описать следующим образом: «…Все токопроводящие материалы имеют внутреннее строение (молекулы, атомы, ядра с вращающимися электронами), когда на материал воздействует химическая реакция, электроны от одного атома перебегают к другому.

Создается ситуация, при которой одни атомы испытывают недостаток в электронах, а другие — их избыток, что показывает противоположность заряда. Электроны стремятся к переходу из одного вещества в другое, это движение и есть электрический ток».

Специалисты акцентируют внимание на том, что в этом случае ток течет только до того момента, пока не произойдет уравнивание зарядов в двух веществах.

Для понимания движения тока важно знать определение напряжения — это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах.

Электрическая энергия

В разных регионах, в частности, и в Украине простой обыватель интересуется: «Що таке електричний струм?», с какой целью он применяется, из чего происходит. Повседневно мы пользуемся электрической энергией, которая представлена переменным током в электрических сетях.

Переменный ток в проводнике — это когда частицы, имеющие заряд за определенный промежуток времени, меняют его по направлению, а также по величине. Графически переменный ток представляется синусоидой.

Создается он генераторами, в которых вращаются катушки с проводами и в процессе вращения пересекают магнитное поле.

В период вращения катушки могут открываться и закрываться по отношению к магнитному полю, что создает электрический ток, который меняется в проводниках по направлению, а полный цикл проходит за одну минуту.

Электрический ток в генераторах, принцип устройства машин:

Электрический ток в генераторах, принцип устройства машин

Вращение генераторов происходит от паровых турбин, имеющих разные источники питания: уголь, газ, атомный реактор, нефть.

Далее через систему трансформаторов повышается напряжение тока, через проводники нужного диаметра он переносится без потерь на длительное расстояние.

Диаметр провода, по которому проходит ток, определяет его силу и величину, горячими линиями в энергетике называются магистральные линии передачи энергии, есть и заземленные варианты, когда передача электроэнергии происходит под землей.

Где применяется электрический ток?

Именно ток значительно облегчает нам жизнь, создавая комфорт в доме. Он применяется для освещения помещений, улицы, для просушки вещей, в нагревательных элементах электроплиты, в других бытовых приборах и устройствах, выполняет работу подъема гаражных дверей и т.д.

Работа электротока в быту:

Работа электротока в быту

Условия, необходимые для получения электротока

Для существования электротока нужны следующие условия: наличие частиц, имеющих заряд, электропроводный материал, по которому будут двигаться частицы, источник напряжения. Важным условием получения электротока является наличие напряжения, которое определяется разностью потенциалов. Иными словами, сила, создаваемая заряженными частицами отталкивания, в одной точке больше, чем в другой.

Природных источников напряжения не существует, по этой причине вокруг нас равномерно распределяются электроны, но такие изобретения, как батарейки дали возможность накапливать в них электрическую энергию.

Другим важным условием является электрическое сопротивление, или проводник, по которому будут двигаться частицы, имеющие заряд. Материалы, в которых это действие возможно, называются электропроводными, а те, в которых нет свободного движения электронов, — изоляторами. Обыкновенный провод имеет проводящую металлическую жилу и изолирующую оболочку.

Электроток в проводниках

В любом проводнике есть носители электрического заряда, которые приходят в движение под воздействием силы поля, создаваемого электрической машиной.

Металлические проводники переносят заряд при помощи электронов. Чем выше температура проводника и нагрев провода, тем хуже протекает ток, так как в нем начинается хаотическое движение атомов от теплового воздействия, увеличивается сопротивление проводящего материала. Чем ниже температура проводника (в идеале — стремление к нулю), тем меньше его сопротивление.

Движение заряженных частиц в проводнике:

Движение заряженных частиц в проводнике

Жидкости могут проводить электроток при помощи ионов (электролиты).

Перемещение происходит к электроду, имеющему противоположный с ионом знак, и, оседая на нем, ионы осуществляют процесс электролиза. Анионы — положительно заряженные ионы, двигающиеся к катоду.

Газ также имеет проводимость, электроток в нем — плазма. Движение происходит при помощи заряженных ионов или свободных электронов, которые получаются в процессе излучения.

Электронно-лучевая трубка — это пример электротока в вакууме от стержня катода к стержню анода.

Электроток в полупроводниках

Для понимания прохождения тока в этом материале дадим ему определение.

Полупроводник — промежуточный материал между проводником и изолятором, зависит от удельной проводимости, наличия в нем примесей, температурного состояния и воздействующего на него излучения.

Чем ниже температура, тем больше сопротивление полупроводника, свойства его влияют на измерения характеристик. Электроток в полупроводнике — это сумма электронного и дырочного тока.

Когда повышается температура полупроводника, происходит разрыв ковалентных связей от действия тепловой энергии на валентные электроны, образуются свободные электроны, в точке разрыва получается дырка.

Когда на полупроводник воздействуют энергией электромагнитного излучения, появляются в нем электронно-дырочные пары.

Возникновение электротока в полупроводнике:

Возникновение электротока в полупроводнике

Законы электрического тока

В электротехнике применяются основные законы, которые дают определение электрического тока. Один из главнейших — закон Ома, особенностью которого является быстрота передачи энергии без изменения ее формы из одной точки в другую.

Закон Ома:

Закон Ома

Этот закон показывает связь между напряжением и силой тока, а также сопротивлением проводника или участка цепи. Сопротивление измеряется в омах.

Работу электротока определяют законом Джоуля-Ленца, который говорит о том, что в любой точке цепи ток выполняет работу.

Звуон Джоуля — Ленца

Фарадей открыл магнитную индукцию, а также опытным способом установил, что при пересечении линии магнитной индукции поверхностью замкнутого проводника в нем появляется электроток. Он вывел закон электромагнитной индукции:

Закон электромагнитной индукции

Не замкнутые проводники, пересекающие линии магнитного поля, получают на концах напряжение, что говорит о появлении ЭДС индукции. Если магнитный поток неизменен и пересекает замкнутый контур, то в нем не возникает электротока. ЭДС индукции замкнутого контура, когда меняется магнитный поток, равен модулю его скорости изменения.

Вывод

Когда по проводнику протекает электрический ток, он его нагревает, по этой причине необходимо соблюдать меры безопасности, работая с электрическими приборами и устройствами. Нельзя допускать перегрузки линии передачи энергии, она может нагреться, и возникнет пожар. Электроток всегда движется по пути наименьшего сопротивления.

В момент появления КЗ (короткого замыкания) ток в разы возрастает, происходит моментальное выделение огромного теплового значения, которое плавит металл. Электрический ток может вызвать ожоги на теле человека или животного, но применяется в реанимационных установках, для депрессивных решений и лечения заболеваний.

По правилам электробезопасности ощутимый человеком ток наступает с величины один миллиампер, а опасным для здоровья считается ток с 0,01 ампера, смертельной величиной определена сила тока в 0,1 ампера. Безопасное напряжение для человека — 12-24-32-42 вольта.

Источник: https://domelectrik.ru/baza/teoriya/elektricheskiy-tok

§14.Постоянный электрический ток

Электрическое поле при наличии постоянных токов.

Закон Ома в дифференциальной форме имеет вид

(14.1)

При наличии тока в проводнике внутри проводника имеется электрическое поле. Плотность тока по сечению проводника различна и распределена неравномерно.

Максимальный ток течет в поверхностном слое, внутри он практически равен нулю, но мы рассматриваем проводники с очень малой площадью поперечного сечения – линейные проводники.

Для них считаем, что плотность тока по сечению одинакова и направлена вдоль элемента длины проводника.

(14.2)

О напряженности поля вблизи поверхности проводника можно высказать более определенные суждения. Вблизи поверхности как напряженность поля, так и плотность тока направлены касательно поверхности. Нормальные к поверхности составляющие этих величин внутри проводника отсутствуют.

Из граничного условия заключаем, что (11.29) Вблизи поверхности вне проводника имеется электрическое поле, тангенциальная составляющая напряженностикоторого равна тангенциальной составляющей напряженностиполя внутри проводника (рис. 22).

Однако о нормальной составляющей напряженности электрического поля вне проводника отсюда никаких выводов сделать нельзя.

Вопрос об источниках поля.

Чем же порождается электрическое поле внутри проводника, что является источником этого поля? Так как существование постоянного тока в цепи обеспечивается соответствующим источником постоянного тока, например гальваническим элементом, то ясно, что он имеет какое-то отношение к порождению электрического поля. Однако непосредственно он не может породить это поле.

Такое утверждение очевидно в случае очень длинного проводника для участков цепи, удаленных от батареи на очень большое расстояние, например на сотни километров. Напряженность электрического поля, которую могут создать заряды полюсов батареи, на этом расстоянии ничтожно мала.

Следовательно, батарея не может быть непосредственным источником электрического поля внутри проводника.

Единственным источником постоянного электрического поля может быть только электрический заряд. Поэтому обсуждаемая проблема сводится к вопросу о том, какими зарядами порождается поле внутри проводника и где эти заряды находятся?

Поле вне проводника.

Для ответа на этот вопрос необходимо изучить электрическое поле вне проводника. Оказывается, что вне проводника вблизи его поверхности наряду с тангенциальной составляющей напряженностиэлектрического поля имеется также нормальная составляющая. Однако внутри проводника. Следовательно, заключаем, что На поверхности проводника должны существовать заряды, поверхностная плотность которых

. (14.3)

В формуле (14.3) предполагается, что проводник находится в вакууме. Если его погрузить в диэлектрическую среду, то вместе св формулу (14.3) войдет диэлектрическая проницаемостьсреды.

Таким образом, на поверхности проводника, по которому течет постоянный электрический ток, имеются электрические заряды. Они и являются источниками электрического поля, которое существует в проводнике и обеспечивает наличие постоянного тока. Поверхностная плотность заряда на различных участках проводника может иметь различные знаки.

В однородных проводниках имеются только поверхностные заряды. Следовательно, вблизи поверхности проводника, как напряженность поля, так и плотность тока направлены касательно поверхности, поэтому вблизи поверхности проводника, вне его, имеется электрическое поле, тангенциальная составляющая которогонаправлена вдоль поверхности проводника.

Такая же составляющая имеется и вблизи поверхности, и внутри проводника. Существование тока в проводнике обеспечивается тем, что на его концах в течение длительного времени поддерживается ненулевая разность потенциалов. Но сам источник тока не в состоянии обеспечить это поле внутри проводника.

Механизм существования постоянного тока.

Источник тока называется источником сторонних электродвижущих сил (сторонних э. д.с.). По результатам своего действия он представляет собой процесс или устройство, отделяющее положительные заряды от отрицательных. После разделения заряды перемещаются на электроды и по закону Кулона действуют на другие заряды, и т. д.

В результате этих коллективных взаимодействий в цепи на поверхности проводников возникает такое распределение зарядов, которое обеспечивает существование внутри проводника соответствующего электрического поля. Таким образом, Роль зарядов на полюсах источника сторонних э. д. с.

состоит не в том, чтобы создавать во всех проводника непосредственно соответствующее электрическое поле, а в том, чтобы обеспечить такое распределение поверхностных зарядов на проводниках, которое создает нужное электрическое поле внутри них. А это и обеспечивает существование постоянного тока.

Поскольку взаимодействие между зарядами осуществляется посредством электромагнитных сил, процесс образования постоянного тока в цепи после ее замыкания характеризуется скоростью распространения электромагнитных волн, зависящих от распределения емкостей, индуктивностей и других характеристик цепи.

Следовательно, при его подключении к проводнику на поверхности появляются электрические заряды, которые служат источниками электрического поля, причем эти заряды находятся на поверхности проводника и плотность их определяется

. (14.3)

Изменение потенциала вдоль проводника с током.

Поскольку в проводнике при наличии постоянного тока, потенциал изменяется вдоль проводника, т. е. в отличие от электростатики потенциал не является постоянным во всех точках проводника. Однако поле внутри проводника создается неподвижными, постоянными по времени поверхностными зарядами и поэтому так же, как в электростатике, является потенциальным.

Так как в проводнике, то потенциал изменяется вдоль проводника и разность потенциалов между двумя точками равна

. (14.4)

Считаем, что поле постоянно по сечению, тогда, где — длина проводника от точки (1) до точки (2).

ВеличинуНазывают напряжением.

Напряженность поля, но, где

. (14.5)

Формула (14.5) определяет омическое сопротивление участка проводника или просто сопротивление участка проводника.

Закон Ома для участка однородной цепи имеет вид

. (14.6)

Для поддержания постоянного тока в цепи в течение длительного времени используются источники постоянного тока. Это аккумуляторы.

Источник тока характеризуется электродвижущей силой (ЭДС)

. (14.7)

Если рассмотреть замкнутую цепь, то благодаря наличию ЭДС в этой цепи существует ток и закон Ома для замкнутой цепи имеет вид

, (14.8)

Где R – внутреннее сопротивление источника тока.

Мы различаем участок однородной цепи, как участок, не содержащий электродвижущей силы и неоднородный участок как участок, содержащий источник тока.

Линейные цепи. Правила Кирхгофа.

Правила Кирхгофа служат для составления системы уравнений, из которой находятся силы тока для разветвленной цепи любой сложности. Они являются записью закона Ома (14.8) для каждого из замкнутых контуров и закона сохранения заряда в каждом узле. Правила знаков для сил тока и э. д. с.

В каждом из замкнутых контуров такие же, как для изолированного контура. Направление положительного обхода для всех контуров выбирается одинаковым.

При составлении суммы силы токов, изображаемых стрелками в направлением от узла, берутся, например, со знаком минус, а силы токов, изображаемых стрелками с направлением к узлу, со знаком плюс. Можно, конечно, брать обратные знаки, это не изменит соответствующих уравнений, важно лишь для всех узлов применять одно и то же правило.

Таким образом, правила Кирхгофа гласят:

1. Сумма алгебраических значений сил токов в каждом узле, равна нулю:

. (14.9)

1. Сумма произведений алгебраических значений сил токов на сопротивление соответствующих участков каждого из замкнутых контуров равна сумме алгебраических значений сторонних э. д. с. в каждом замкнутом контуре:

(14.10)

Можно показать, что получающаяся при этом система уравнений является полной и позволяет определить все токи. Эти законы вывел Кирхгоф (1824-1887).

Правила Кирхгофа служат для составления систем уравнений, из которых могут быть найдены силы тока для разветвленной цепи любой сложности.

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда – (14.9). Причем токи, входящие в узел со знаком ‘+’, выходящие –‘-’.

Второе правило Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии.

Пример.

Дано:

Найти:

1)

2)

3)

Можно составить еще одно уравнение, которое является линейной комбинацией уравнения (2) и (3).

При соединении источников в батарею руководствуются следующими соотношениями:

1) последовательное соединение

; (14.7)

2) параллельное соединение

. (14.8)

Источник: https://www.webpoliteh.ru/14-postoyannyj-elektricheskij-tok/

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.

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

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.

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

I = Q/t.

Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m2:

j = I/S

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 = φ1 — φ2

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

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

I = U/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.

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.

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: http://tel-spb.ru/current/

Электрическое поле проводника с током

Господа, доброе всем время суток! Сегодня коротенечко рассмотрим затронутый в статье про силу тока вопрос, почему же лампочка вспыхивает мгновенно при столь малой скорости направленного движения заряженных частиц.

Речь пойдет, как уже многие догадались, об электрическом поле проводника с током. Мы попытаемся разобраться как это поле выглядит внутри и снаружи проводника и рассмотрим механизм его образования.

Итак, погнали!

На самом деле мы сейчас рассмотрим довольно нетривиальные вещи.

Дело в том, что когда речь заходит про электрическое поле часто возникает непонимание физики процессов и бесконечные споры о том, что же это такое, особенно если имеют место быть движущиеся заряды.

Скажу честно, сначала я вообще не хотел писать статью на данную тему и затрагивать рассмотрение этого вопроса, тем более, что в инженерной практике он не имеет большого значения. Однако, поразмыслив, все-таки я решил кратко рассмотреть его для полноты картины, разумеется, на максимально простом уровне.

Прежде всего зададимся вопросом – а что же нужно для того, чтобы имел место электрический ток? По сути мы уже ответили на этот вопрос в статье про  силу тока.

Нам нужно наличие свободных заряженных частиц – электронов или ионов, а также некоторой силы, вызывающей это упорядоченное движение. Эта сила – электрическое поле.

Да, именно благодаря электрическому полю и возникает электрический ток. 

Итак, поле создается зарядами. Ок. Как же в итоге возникает ток в проводнике? Рассмотрим цепь, состоящую из проводника с нагрузкой и батарейки. Батарейка создает некоторое напряжение. На минусовой клемме батареи, очевидно, имеет место избыток электронов. Это минус и по определению там электронов больше, чем на плюсе.

Эти заряды создают вокруг себя поле. Но что делать, если длина проводника несколько километров? Ведь поле затухает пропорционально квадрату расстояния, как мы помним из закона Кулона. При замыкании цепи эти электроны с минусовой клеммы начинают действовать на близлежащие электроны в проводнике, толкать их в стороны.

Часть электронов будет двигаться вдоль оси проводника. Часть электронов достигнет поверхности проводника и скопится на ней. Образуется типа поверхностного заряда. Этот поверхностный заряд будет создавать поле в следующей участке проводника. Ну и так далее. Распространение поверхностного заряда иллюстрирует рисунок 1.

Рисунок 1 – Распространение поверхностного заряда

Дело в том, что распространяться этот самый заряд, ну, то есть, по сути поле, будет со скоростью света, которая, как известно, равна примерно 300 000 км/с. Очень быстро. Поэтому и загорится лампочка почти мгновенно. Это поле называется стационарным. Оно неизменно в течении времени. Да, заряды движутся. Но на их место приходят новые, точно такие же по величине.

Господа, как мы все помним из вот этой вот статьи для визуализации электрического поля и его наглядного представления принято использовать силовые линии. Как же выглядят силовые линии внутри проводника с током и снаружи от него? Ответ таков: внутри проводника с током силовые линии параллельны оси проводника, а снаружи — идут под углом к нему. Это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Силовые линии проводника с током

Почему это так? Разберемся сначала с ситуацией вне проводника. Как мы уже выяснили на проводнике с током, на его поверхности, содержится поверхностный заряд. Причем (господа, внимание!),  этот заряд плавно уменьшается по длине проводника.

Ясно, что рядом с минусом будет намного больший избыток электронов, чем рядом с плюсом, на котором, наоборот, их недостаток.  То есть есть продольная составляющая вектора напряженности.

Итого, по правилу сложения векторов получаем, что вне проводника поле направлено под углом к нему. Господа, для тех, кто вдруг забыл, напоминаю правило сложения векторов. Оно показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Правило сложения векторов

Внутри же проводника создаются такие условия, что силовые линии напряженности направлены вдоль его оси. Почему это так? Ответ может быть такой. Очевидно, что в проводнике с током сила тока одинакова по всей длине проводника.

Кто не верит — амперметр в лапки и вперед измерять. Это значит, что по всей длине проводника скорость зарядов одна и та же. Господа, это неопровержимо выведено в нашей самой первой статье про  силу тока.

Если скорость одна и та же, то одинакова и сила, с которой поле действует на заряды. А раз одинакова сила, то будет одна и та же напряженность поля во всех сечениях проводника.

Сила же зависит напрямую от напряженности! Причем одинакова сила будет при любой длине проводника. Это свидетельствует о том, что линии напряженности в проводнике параллельны оси проводника.

Уфф! Господа, чуть передохните и прочитайте предыдущий абзац еще разок. Знаю, там одно, цепляется за другое, потом другое за третье и в конце уже не помнишь, с чего начиналось. В таком случае лучше отдохнуть и перечитать еще разок перед тем, как читать дальше. Отдохнули? Тогда едем дальше!

Остался еще один скользкий вопрос. Как же распределена плотность тока в проводнике с постоянным током? По идее она должна быть у поверхности чуть больше: там ведь существует поверхностный заряд, то есть более высокая концентрация электронов.

Здесь может быть только кулоновское расталкивание зарядов ближе к поверхности проводника… Господа, если у кого есть соображения по этому поводу, пожалуйста, напишите в комментарии.  Но что можно сказать однозначно, даже если и расталкивание есть, то оно минимально.

На практике им пренебрегают, считая, что постоянный ток целиком, с одинаковой плотностью, течет по всему сечению проводника.

Но вернемся еще раз к вопросу, почему ток в цепи возникает практически мгновенно. Что бы стало совсем понятно, приведем аналогию из области гидравлики. Не пугайтесь, господа. Я в тоже в этой прекрасной науке мало шарю.

По сути протекание тока в проводниках чем-то схоже с протеканием воды в трубах.

Итак, водопровод наполнен водой (проводник наполнен свободными электронами). В системе водопровода есть давление (к проводнику приложено напряжение, в проводнике есть электрическое поле). Мы открываем кран (замыкаем электрическую цепь). Из крана начинает течь вода.

Внимание, господа! В момент открывания крана начинает течь не та вода, которая на ближайшей водокачке.

А та, которая уже в трубах, та, которая рядом с вами, и начинает она течь мгновенно (лампочка загорается мгновенно) при открытии крана, не смотря на то, что скорость течения воды может быть небольшой (мы помним наши выводы про скорость движения электронов).

Итак, мы рассмотрели вопрос что же вызывает протекание тока в проводнике, объяснили, почему ток возникает во всей цепи практически мгновенно не смотря на крайне низкую дрейфовую скорость перемещения зарядов и показали, как формируется поле в проводнике с постоянным током. Господа, полагаю, на сегодня достаточною. Удачи вам всем и до скорых встреч!

Источник: http://myelectronix.ru/postoyannyy-tok/18-jelektricheskoe-pole-provodnika-s-tokom