Закон Ома
Закон Ома гласит , что ток через проводник между двумя точками прямо пропорциональна к разности потенциалов через две точки. Вводя константу пропорциональности, сопротивление , приходим к обычному математическому уравнению, описывающему эту взаимосвязь:
- язнак равноVр{\ displaystyle I = {\ frac {V} {R}}}
где я это ток через проводник в единицах ампер , V представляет собой разность потенциалов измеряются по проводнику в единицах вольт , а R представляет собой сопротивление проводника в единицах Ом . Более конкретно, закон Ома гласит, что R в этом отношении постоянно, независимо от тока.
Движение электронов в металлах до появления электрического поля
То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.
Как мы уже знаем, вокруг ядра атомов движутся электроны.
Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?
Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день (Рис. 3).
Рис. 3. Движение электронов внутри металлического проводника ()
Открытие: ток течёт не от плюса к минусу, а от фазы к нулю
Не существует электрического тока, текущего от плюса к минусу.
Достаточным доказательством этого факта служит бытовая электрическая розетка, которая имеет фазу (лампочка фазоуказателя горит) и нуль (лампочка фазоуказателя не горит).
В такой однофазной системе постоянный ток это движение электронов или позитронов от фазы к нулю.
Переменный ток формируется как движение электронов и позитронов от фазы к нулю, с соблюдением заданной генератором тока очерёдности, называемой частотой переменного тока.
Выпрямление переменного тока происходит посредством превращения электронов и позитронов друг в друга.
Объясняется это тем, что все элементы магнитоэлектрической системы электрона противоположны всем элементам магнитоэлектрической системы позитрона. И эта противоположность определяется вектором их движения в пространстве.
Поэтому, стоит только поменять вектор движения одного из зарядов на противоположный вектор, так сразу же этот заряд превращается в своего антипода.
Чтобы уяснить работу диодных мостов, необходимо понять, что разность потенциалов между плюсовым потенциалом и нулёвым потенциалом, а также разность потенциалов между нулёвым потенциалом и минусовым потенциалом есть равноценные положительные потенциалы, которые открывают полупроводниковые диоды.
А разность потенциалов между минусовым потенциалом и нулевым потенциалом, а также разность потенциалов между нулевым потенциалом и плюсовым потенциалом есть равноценные отрицательные потенциалы, которые открывают вакуумные диоды.
Анимация показывает, как полупроводниковый мост пропускает позитронный ток, движимый разностью потенциалов между плюсом и нулём. Но, когда на мост подаётся разность потенциалов между нулём и минусом, открывающий те, же самые диоды, здесь-то и происходит замена вектора движения электронов на вектор движения позитронов, с превращением электронов в позитроны.
Аналогичным образом происходит превращение позитронов в электроны в мосте, собранным на вакуумных диодах.
Заключение:
1. Любой любознательный восьмиклассник способен осуществить описанные опыты.
2. Комичность ситуации заключается в том, что с широким распространением осциллографов любой любознательный восьмиклассник на экране видит, что ток есть движение, как отрицательных, так и положительных зарядов.
3. Фарадей двести лет назад получил ток с отрицательными и положительными зарядами, который распространяется в прилегающем к проводнику слое эфира.
4. Все современные тепловые, гидравлические и атомные электростанции получают ток Фарадея.
Официальное электричество
Между 1881 и 1904 годами было проведено несколько собраний Международного электрического конгресса (МЭК), на котором был установлен ряд общих электромагнитных единиц, таких как ом, вольт, фарад и кулон. Именно в этот период было создано официальное определение электрического тока.
Единицей измерения электрического тока является ампер, а устройства для измерения тока называются амперметрами. Первый амперметр был в виде серебряной пластинки, которую погружали в раствор нитрата серебра. Под действием протекающего тока серебро выпало из раствора и оседало на пластине. Взвесив пластину до и после ученые определили, что один ампер тока соответствует осаждению 0,001118 грамма серебра в секунду. Это определение изменилось с годами, и сегодня один ампер – это поток заряда и значение одного кулона за одну секунду.
Переменный и постоянный ток
В системах переменного тока (AC) движение электрического заряда периодически меняет направление. Переменный ток – это форма электроэнергии, которая чаще всего подается на предприятия и в жилые дома. Обычная форма сигнала в цепи питания переменного тока представляет собой синусоидальную волну , хотя в некоторых приложениях используются альтернативные формы волны, такие как треугольные или прямоугольные волны . Аудио и радио Сигналы , передаваемые по электрическим проводам также примеры переменного тока
Важной целью в этих приложениях является восстановление информации, закодированной (или модулированной ) в сигнале переменного тока.
Напротив, постоянный ток (DC) относится к системе, в которой электрический заряд движется только в одном направлении (иногда это называется однонаправленным потоком). Постоянный ток вырабатывается такими источниками, как батареи , термопары , солнечные элементы и электрические машины коммутаторного типа динамо- типа. Переменный ток также можно преобразовать в постоянный с помощью выпрямителя . Постоянный ток может течь в проводнике, таком как провод, но также может течь через полупроводники , изоляторы или даже через вакуум, как в электронных или ионных пучках . Старое название для постоянного тока был гальванический ток .
Направление электрического тока
Свободные электроны.. Электрический ток.. Измерение тока.. Амперметр.. Единица силы тока — Ампер.. Направление электрического тока.. Направление движения электронов..
- Когда электрическое поле прикладывается к проводнику, свободные электроны (носители отрицательного заряда) начинают дрейфовать в соответствии с направлением электрического поля – возникает электрический ток.
- Движение электронов означает движение отрицательных зарядов, следовательно, – электрический ток является мерой количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени.
- Измерение тока
- Единица силы тока Кулон в секунду в системе СИ имеет конкретное название Ампер (А) – в честь знаменитого французского ученого Андре-Мари Ампера (на фото в заголовке статьи).
В международной системе СИ единица измерения заряда – Кулон, а единица времени – секунда. Поэтому единица силы тока – Кулон в секунду (Кл/сек).
Как мы знаем, величина отрицательного электрического заряда электрона -1,602 • 10-19 Кулона. Поэтому один Кулон электрического заряда состоит из 1 / 1,602 • 10-19 = 6,24 • 1018 электронов. Следовательно, если 6,24 • 1018 электронов пересекает поперечное сечение проводника за одну секунду, то величина такого тока равна одному амперу.
Для измерения силы тока существует измерительный прибор — амперметр.
Рис. 1
Амперметр включается в электрическую цепь (рис. 1) последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором необходимо измерить. При подключении амперметра нужно соблюдать полярность: «плюс» амперметра подключается к «плюсу» источника тока, а «минус» амперметра — к «минусу» источника тока.
Направление электрического тока
Если в электрической цепи, показанной на рис. 1 замкнуть контакты выключателя, то по этой цепи потечет электрический ток. Возникает вопрос: «А в каком направлении?»
Мы знаем, что электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц – электронов (в других средах это могут быть ионы или ионы и электроны).
Отрицательно заряженные электроны во внешней цепи двигаются от минуса источника к плюсу (одноименные заряды отталкиваются, противоположные — притягиваются), что хорошо иллюстрирует рис.
2.
Рис. 2 Учебник физики за 8 класс дает нам другой ответ: «За направление электрического тока в цепи принято направление движения положительных зарядов», — то есть от плюса источника энергии к минусу источника.
Выбор направления тока, противоположного истинному, иначе как парадоксальным назвать нельзя, но объяснить причины такого несоответствия можно, если проследить историю развития электротехники.
Дело в том, что электрические заряды стали изучать задолго до того, как были открыты электроны, поэтому природа носителей заряда в металлах была еще неизвестна.
Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл американский ученый и политический деятель Бенджамин Франклин.
В своей работе «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747 г.) Франклин предпринял попытку теоретически объяснить электрические явления. Именно он первым высказал важнейшее предположение об атомарной, «зернистой» природе электричества: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими».
Франклин полагал, что тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно, а тело, теряющее электричество, заряжается отрицательно. При их соединении избыточный положительный заряд перетекает туда, где его недостает, то есть к отрицательно заряженному телу (по аналогии с сообщающими сосудами).
Эти представления о движении положительных зарядов широко распространились в научных кругах и вошли в учебники физики. Так и получилось, что действительное направление движения электронов в проводнике противоположно принятому направлению электрического тока.
После открытия электрона ученые решили оставить все как есть, поскольку пришлось бы очень многое изменять (и не только в учебниках), если указывать истинное направление тока. Также это связано и с тем, что знак заряда практически ни на что не влияет, пока все используют одно и то же соглашение.
Как возникает электрический ток
Если взять два проводника, и один из них зарядить отрицательно (добавить ему электронов), а другой зарядить положительно (отобрав у него часть электронов), возникнет электрическое поле. Если соединить оба электрода проводником, поле заставит двигаться электроны в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля, в соответствии с направлением вектора электрической силы. Отрицательно заряженные частицы будут двигаться от электрода, где они в избытке, к электроду, где они в недостатке.
Для возникновения движения электронов не обязательно сообщать второму электроду положительный заряд. Главное, чтобы отрицательный заряд первого был выше. Можно даже зарядить оба проводника отрицательно, но один проводник должен иметь заряд больше другого. В этом случае говорят о разности потенциалов, которая вызывает электрический ток.
По аналогии с водой – если соединить два сосуда, заполненные водой до разных уровней, возникнет поток воды. Его напор будет зависеть от разницы уровней.
Интересно, что хаотическое движение электронов под действием электрического поля в целом сохраняется, но общий вектор движения массы носителей заряда приобретает направленный характер. Если «хаотическая» составляющая движения имеет скорость несколько десятков или даже сотен километров в секунду, то направленная составляющая – несколько миллиметров в минуту. Но воздействие (когда электроны по длине проводника приходят в движение) распространяется со скоростью света, поэтому говорят, что электрический ток движется со скоростью 3*108 м/сек.
В рамках приведенного выше эксперимента ток в проводнике будет существовать недолго – до тех пор, пока в отрицательно заряженном проводнике не закончатся избыточные электроны, и их количество на обоих полюсах не уравновесится. Это время невелико – ничтожные доли секунды.
Перейти обратно к изначально отрицательно заряженному электроду и создать избыточный заряд носителям не даёт то же самое электрическое поле, которое двигало электроны от минуса к плюсу. Поэтому должна быть сторонняя сила, действующая против силы электрического поля и превосходящая его. По аналогии с водой, должен быть насос, закачивающий воду обратно на верхний уровень для создания непрерывного потока воды.
«Сила тока. Напряжение»
Сила тока
Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока (I). Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q, прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку времени: I = q/t. Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).
Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.
За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10-7Н. Эта единица и называется ампером (1 А).
Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.
Амперметр
Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром. Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка. При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить, и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.
У клемм амперметра стоят знаки «+» и «—», при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «—» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.
Напряжение
Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением. Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.
Напряжение (U) — это физическая величина, равную отношению работы (А) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q.
Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда (t), то получим: U = At/qt. В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р), а в знаменателе — сила тока (I). Получается формула: U = Р/I, т.е. напряжение — это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.
Единица напряжения: = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).
Вольтметр
Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят. Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.
У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «—», при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «—» к отрицательному полюсу источника тока.
Формулы и определения.
1. Все проводники, используемые в электрических цепях, имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут образовывать последовательные, параллельные и смешанные соединения.
2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость превращения электрической энергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный прибор – ваттметр.
3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный прибор – амперметр (подключают последовательно).
4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный прибор – вольтметр (подключают параллельно)
5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, превратившейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный прибор – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).
Конспект урока «Сила тока. Напряжение».
Следующая тема: «Электрическое сопротивление».
Резистивный нагрев
Джоулев нагрев, также известный как омический нагрев и резистивный нагрев , представляет собой процесс рассеивания мощности, при котором прохождение электрического тока через проводник увеличивает внутреннюю энергию проводника, преобразовывая термодинамическую работу в тепло . Явление было впервые исследовано Джеймс Джоуля в 1841 Джоуль погруженной длиной проволоки в фиксированную массе из воды и измерял температуру рост из – за известный ток через проволоку в течение 30 минут периода. Путем изменения тока и длину проволоки он сделал вывод о том , что тепло , вырабатываемое была пропорциональна к квадрату тока , умноженного на электрическое сопротивление проволоки.
- п∝я2р{\ Displaystyle P \ propto I ^ {2} R}
Эта связь известна как закон Джоуля . Единица СИ из энергии был впоследствии назван джоуль и обозначается символом J . Общеизвестная единица мощности в системе СИ, ватт (обозначение: Вт), эквивалентна одному джоулю в секунду.
Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца
На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах:
Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит и любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Нагревание среды происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах, или ионы в проводящих ток растворах, сталкиваются с молекулами или атомами проводника и отдают им часть своей энергии. Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника.
Обратимся теперь к количественной стороне вопроса: сколько теплоты выделяется при прохождении тока определённой силы в данном конкретном проводнике?
Ответ на него мы найдём, применив закон сохранения энергии. Если в результате протекания тока в проводнике увеличивается только внутренняя энергия проводника, то есть если ток произведёт лишь тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты должно быть равно работе, совершенной за это время электрическими силами. Тогда мы можем рассчитывать выделенную теплоту по формулам, полученными нами для работы электрического тока:
Гораздо сложнее будет ситуация, когда протекание тока в проводнике вызывает не только его нагревание, но и создаёт другие виды энергии. Примером этому является работа любого электродвигателя или электромотора. Согласно закону сохранения и превращения энергии работа, совершенная электрическими силами за некоторый промежуток времени, вызывает не только нагревание обмотки электродвигателя (кстати, не очень большое), но и появление весьма значительного количества механической энергии:
Аналогичная ситуация возникает при зарядке аккумулятора, где за счёт работы электрических сил происходит не только нагревание заряжаемого аккумулятора, но и накопление в нем химической энергии:
Однако очевидно, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, должно зависеть от сопротивления проводника. Проверим это предположение на опыте. В цепь из источника тока, амперметра и реостата включим последовательно три проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения: из нихрома, никелина и меди. При увеличении силы тока заметим, что нихромовый проводник нагревается почти до белого каления, никелиновый лишь слегка краснеет, а медный остаётся темным.
Действительно, ведь чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам. При этом совершается большая работа по их перемещению и, следовательно, проводник больше нагревается.
А как узнать количество выделенной теплоты в таких случаях, ведь здесь очевидно только то, что эта теплота меньше работы электрических сил? Ответ на этот вопрос был найден в 1841 г. английским учёным Дж. Джоулем и независимо от него в 1842 г. русским учёным Э. Х. Ленцем. На основании многочисленных опытов ими было установлено, что количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока в любом проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока:
Это и есть закон Джоуля — Ленца.
Проверить его справедливость можно с помощью следующей экспериментальной установки. В калориметр, содержащий 100 г воды при температуре 20 оС, поместим нихромовую проволоку, концы которой подключим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью вольтметра будем измерять напряжение на концах проводника, а с помощью секундомера — время эксперимента.
Как видим, количество теплоты, полученное водой, равно количеству теплоты, которое выделилось в проводнике
, что подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.
Формулой Q=I2Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же. Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника:Q~R. При параллельном соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле:
Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника: Q~ 1/R.
Характеристики
Исследовав электрический ток и его ключевые характеристики, возможно понять принцип его функционирования. Главными величинами электрической энергии являются напряжение, сила и сопротивление.
Сила и плотность тока
Чтобы описать характеристики электричества, зачастую применяют термин «сила тока». Он определяет интенсивность перемещения зарядов, которые проходят сквозь поперечное сечение проводника.
Плотность тока является векторной величиной. Вектор направляется в сторону движения положительно заряженных зарядов. Его модуль равняется соотношению силы электротока на определенном перпендикулярном по направлению перемещения зарядов сечении проводника к его площади. Измерение происходит в амперах на метр.
Плотность тока
Мощность
Электрические силы осуществляют работу против активного и реактивного сопротивления. На пассивных работах будет преобразовываться в теплоэнергию. Производительностью называется работа, которая выполнена за 1 врем. ед. Относительно электричества применяется понятие «мощность теплопотерь». Мощность теплопотерь проводника равняется силе тока, которая умножена на напряжение. Измеряется мощность в ваттах.
Мощность
Частота
Ток характеризует частота. Такой параметр покажет, как за врем. ед. меняется число колебаний. Частота измеряется в герцах. Обычная промышленная частота составит 50 Гц.
Частота
Ток смещения
Такой термин был введен для комфорта, хотя в привычном понимании его не назовешь током, поскольку нет переноса заряда. Интенсивность электромагнитного поля находится в зависимости от токопроводимости и смещения.
Токи смещения возможно увидеть в конденсаторе. Невзирая на то, что во время зарядки и разрядки меж обкладок конденсатора не перемещается заряд, ток смещения будет протекать сквозь конденсатор и замыкать электроцепь.
Ток смещения
Электрическое поле внутри проводника с током
Проводникам с током можно придавать самую разнообразную форму. Провода можно намотать на катушку, согнуть под любым углом и т. д. При этом с помощью амперметра (прибора для измерения силы тока) можно обнаружить, что сила тока в проводнике не зависит от его формы.
Если не меняется сила тока в проводнике, то, согласно соотношению (2.2.7), не меняется и скорость направленного движения электронов в проводнике. Во всех сечениях проводника одного и того же диаметра она одинакова. Но скорость упорядоченного движения электронов зависит от силы, действующей на них, т. е. от напряженности электрического поля внутри проводника. Значит, напряженность поля во всех сечениях проводника должна быть одинаковой по модулю и не меняться при изменении формы проводника.
Линии напряженности электрического поля на протяжении всего проводника параллельны его поверхности (оси проводника). Они не могут пронизывать поверхность проводника и при любой форме проводника повторяют его изгибы (рис. 2.9). Если бы линии напряженности пронизывали поверхность проводника изнутри, то вектор имел бы составляющую, перпендикулярную поверхности проводника. Заряженные частицы двигались бы к поверхности и накапливались на ней. Созданное этими зарядами поле неизбежно влияло бы на движение заряженных частиц, и сила тока не могла оставаться постоянной.
Заключение
Мы познали суть электричества, выяснили как это работает, по крайней мере, в общих чертах. Для людей с творческим мышлением, далеким от физики, можно мысленно представить, как очень маленькие частички очень быстро перетекают с одного места на другое по своей электрической цепи. Основой любого вещества является ядро. Если есть разница потенциалов (в одном месте возникло скопление одного вида зарядов, а в другом, противоположного вида), то при появлении пути (соединение цепи) начинается процесс выравнивания этих самых потенциалов. Таким образом вырабатывается электрический ток.
