Что называется электрическим током

Электрический ток

Электри́ческий ток — упорядоченное некомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

В медицине электрический ток используют в реанимации, электростимуляции определённых областей головного мозга. Электрические разряды применяются для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

Содержание

Характеристики

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. [1] Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.

Переменный ток высокой частоты проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.

Сила и плотность тока

Силой тока называется физическая величина, равная отношению количества заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

По закону Ома сила тока для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка цепи :

Плотностью тока называется вектор, модуль которого равен отношению силы тока, протекающего через некоторую площадку, перпендикулярную направлению тока, к величине этой площадки, а направление вектора совпадает с направлением движения положительного заряда в токе.

Согласно закону Ома плотность тока в среде пропорциональна напряжённости электрического поля и проводимости среды :

Мощность

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах

В сплошной среде объёмная мощность потерь определяется скалярным произведением вектора плотности тока и вектора напряжённости электрического поля в данной точке:

Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. По определению, плотность тока смещения — это векторная величина, равная быстроте изменения электрического поля во времени:

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь. Ток смещения в конденсаторе определяется по формуле:

,

где — заряд на обкладках конденсатора, — разность потенциалов между обкладками, — ёмкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.

Электробезопасность

Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

Источник

Что такое электрический ток?

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей – отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома для участка цепи.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Источник

Электрический ток

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение частиц, носителей электрического заряда, в электромагнитном поле.

Что такое электрический ток в разных веществах? Примем, соответственно, движущиеся частицы:

Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток проявляется следующим образом:

Классификация

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический »ток проводимости». Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют »конвекционным».

Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.

Вихревые токи

Вихревые токи ( или токи Фуко) — замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Характеристики

Исторически принято, что »’направление тока»’ совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Дрейфовая скорость электронов

Дрейфовая скорость направленного движения частиц в проводниках, вызванного внешним полем, зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счёт упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Сила и плотность тока

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную — силу тока, и векторную — плотность тока.

Сила тока — физическая величина, равная отношению количества заряда

, прошедшего за некоторое время

через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в СИ измеряется в амперах (международное и русское обозначение: A).

По закону Ома сила тока

на участке цепи прямо пропорциональна электрическому напряжению

, приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению

.

Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного переменного тока средние значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна.

Поэтому применяют следующие понятия:

Плотность тока — вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде

пропорциональна напряжённости электрического поля

и проводимости среды

.

Мощность

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:

Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах.

В сплошной среде объёмная мощность потерь

определяется скалярным произведением вектора плотности тока

и вектора напряжённости электрического поля

Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны

, зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 »Гц» соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.

Частота

Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу и/или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения

— векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь. Ток смещения

в конденсаторе определяется по формуле:

— заряд на обкладках конденсатора,

— электрическое напряжение в между обкладками,

— электрическая ёмкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Электрические токи в природе

Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин.

В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10 −12 А/м².

Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.

Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.

Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.

Применение

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие — электроэнергетика.

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

Использование электрического тока в медицине

Электробезопасность

Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

В России в соответствии c Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (Приказ Минэнерго РФ от 13.01.2003 № 6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей») и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок (Приказ Минэнерго РФ от 27.12.2000 N 163 «Об утверждении Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок»), установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

Источник

Современную цивилизацию сегодня невозможно представить без электричества. Благодаря бесперебойной подаче электрического тока функционируют промышленные предприятия, освещаются улицы городов, обеспечивается горячая вода и тепло в домах. В то же время, даже при условии постоянного использования этого ресурса, для многих остается неясным, что представляет собой электрический ток, откуда он берется и как протекает, на каких физических законах основывается.

Основные определения электрического тока

Повсеместно используются два основных определения электротока:

з указанных определений академическое применяется наиболее часто, так как в классическом определении отсутствует описание природы этого явления.

Электроэнергия. Что представляет собой электрическое сопротивление

Под электрической энергией подразумевается энергия, которая высвобождается во время движения потоков заряженных частиц. Источником электроэнергии может являться генератор или аккумуляторные батареи, а в качестве потребителей рассматриваются оборудование и приборы, подключенные к сети. Электричество применяется в быту для обеспечения питания электротехники и измеряется в кВт/ч (киловатт-час).

Сферы использования электрического тока

С момента своего раскрытия электричество активно завоевывало разные области человеческой деятельности, способствуя всестороннему промышленному и технологическому развитию современной цивилизации. Сегодня электрический ток является первостепенным энергетическим ресурсом во всех отраслях:

Без электричества человек лишается возможности использования уже ставших обыденностью бытовых приборов, видео и аудиотехники, отопительного оборудования, охранных систем и компьютерной техники.

При каких условиях возможно получение электрического тока

Электрический ток образуется, если соблюдены следующие условия:

Именно наличие всех вышеперечисленных условий является гарантией длительного протекания электрического тока в установленной цепи и стабильного питания подключенных к ней потребителей (бытовых или промышленных электроприборов).

Как проявляется электрический ток в зависимости от разных сред?

Электрическим током в различных веществах является совокупность движущихся частиц:

Ток может проявляться следующим образом:

Классификация тока

Основная классификация электрического тока предусматривает использование формулировки постоянного и переменного тока. Также рассмотрим и другие виды:

Характеристики

Свойства электрического тока характеризуются следующими величинами:

Сила и плотность тока.

Величины используются для формулирования знаменитого закона Ома, где на определенном участке электрической цепи для выражения разницы потенциалов (или напряжения) используется соотношение: U=I*R (U-напряжение, I-сила тока, R-сопротивление).

Мощность

Частота

Ток смещения

Это условное название, так как в нем заряд не переносится. В то же время, токи проводимости и смещения определяют зависимость от них магнитного поля. Явным примером является конструкция конденсатором: даже если между обкладками конденсационного устройства при зарядке/разрядке заряды никак не перемещаются, наблюдается протекание тока смещения через конденсатор, тем самым обеспечивая замыкание электрической цепи.

Лицензированная электролаборатория компании ТМ Электро проведёт качественные испытания Ваших электросетей.

Источник

Электрический ток

Формирование электрического тока можно наблюдать внутри вещества только, если в нем имеются свободно перемещающиеся заряженные частицы. При этом сам заряд можно как иметься внутри вещества изначально, так и сформироваться под воздействием любых внешних факторов. Например, изменения температуры, действия электромагнитного поля, ионизаторов и т.д.

Понятие, суть и проявления электрического тока

Под электрическим током понимают любое упорядоченное и направленное перемещение любых заряженных частиц.

Частицы при этом могут быть самыми разными:

Важное замечание. Чаще всего приходится иметь дело с понятием электрического тока. В этом случае речь идет о токе смещения, возникающем из-за изменения параметров электрического поля.

Сам электрический ток может проявляться:

Как классифицируется электрический ток

Под так называемым электрическим током проводимости принято подразумевать явление движения заряженных частиц в макроскопических элементах вещества.

При этом существует и конвекционный ток – когда в движение приходят сами макроскопические заряженные тела. В качестве примера можно привести движение заряженных капель атмосферных осадков.

Электрический ток бывает:

Так под постоянным током понимают такой ток, который слабо изменят свои показатели направления и величины. Зато переменный изменяет свои показатели достаточно заметно.

Существует несколько видов переменного тока, однако основным принято считать тот, который изменяет свои величины по синусоиде. Потенциал на каждом конце проводника в этом случае изменяется относительно другого конца – с отрицательного на положительный и наоборот. Сам ток при этом проходит через все возможные промежуточные потенциалы. В результате таких изменений образуется электрический ток, непрерывно изменяющий свое направление. Во время движения по одному направлению, он растет, достигает своих максимальных значений, после чего начинает идти на спад. Показатель максимума в этом случае называют амплитудным значением. В какой-то момент все показатели переменного тока обнуляются, после чего снова наблюдается возрастание. И так – циклически.

Квазистационарный ток – разновидность переменного тока, изменяющегося сравнительно медленно. Для его мгновенных значений исполняются законы для постоянного электрического тока с достаточной точностью. В качестве примеров таких законов можно привести всем известный закон Ома или правило Кирхгофа. Квазистационарный ток обладает неизменной силой на всем сечении неразветвленной сети. Чтобы точно рассчитывать цепи с квазистационарным током, необходимо принимать во внимание сосредоточенные параметры. Различают также квазистационарный промышленный ток – когда условия квазистационарности вдоль линий не работают (за исключением тока в линии дальней передачи).

Переменные токи повышенной частотности – это электрические токи, внутри которых не работают условия квазистационарности. Такие токи как бы обтекают проводник, проходя только по его наружной поверхности. Данный эффект даже получил оригинальное название – скин-эффект.

Пульсирующие электрические токи – это токи, не меняющие своего направления, но изменяющие величину.

Существует также вихревой электрический ток (он же – ток Фуко). В данном случае подразумевают замкнутый электрический ток, располагающийся внутри массивного проводника. Он возникает в случае изменения магнитного потока. Следовательно, вихревой ток можно считать индукционным. Чем интенсивнее и заметнее наблюдается изменение магнитного потока, тем сильнее и вихревой ток. Он не течет по обычным проводам, а замыкается на проводнике и формирует вихреобразный контур.

Именно благодаря наличию вихревых токов и наблюдается скин-эффект, упомянутый выше. В этом случае поток и переменные электрические токи распространяются по поверхности проводника. Так как проводник нагревается из-за действия вихревого тока, наблюдаются потери энергии и порой весьма значительные. Особенно это заметно в сердечниках катушек с переменным током.

Для уменьшения энергопотерь, используют деление проводов с переменным током на раздельные пластинки, друг от друга изолированные и располагающиеся под углом в 90 градусов к направлению вихревого тока. Это, в свою очередь, приводит к ограничению возможных контуров путей тока, значительно уменьшает его величину.

Чем характеризуется электрический ток

Так исторически сложилось, что первые обнаруженные электрические токи имели направление своего движения, совпадающее с направлением перемещения положительно заряженных частиц.

Но носители электрического тока могут быть разными. Например, если речь идет об электронах, которые имеют отрицательный заряд, то направление тока будет противоположным направлению движения положительных частиц.

Скорость, с которой движутся заряженные частицы, зависит от таких параметров, как:

Сами частицы (например, электроны) при этом перемещаются с крайне незначительной скорости – всего доли миллиметра в секунду. Однако само поле распространяется крайне стремительно – практически со скоростью света. Потому и электрический ток внутри проводника распространяется с той же самой скоростью.

Основные виды проводников

В электропроводящих веществах (проводниках) существуют свободные частицы (носители) некомпенсированного заряда. Именно они и приходят в движение, находясь под действием сил электрических потенциалов. Именно они и «отвечают» за образование электрического тока.

Вольтамперные показатели – то есть зависимость силы тока от его напряжения – вот что считается основной характеристикой любого проводника.

В случае с металлами и электролитами такая зависимость самая простая: чем больше напряжение – тем больше и сила тока. Это выявил еще знаменитый ученый Георг Ом и отобразил в своем законе.

В металлических проводниках в качестве носителей электрического тока выступают свободные электроны, рассматриваемые в данный момент физиками как некий электронный газ. Действительно, эти частицы весьма явно проявляют свойства вырожденного газа.

Различают и такое особое агрегатное состояние вещества, как плазма. Она представляет собой ионизированный газ. В ней с помощью ионов и свободных электронов переносятся электрозаряды. Свободные электроны в плазме формируются из-за действия рентгеновского или ультрафиолетового излучений, либо после значительного нагревания среды.

Электролиты – часто жидкие, но могут быть и твердые – вещества, имеющие значительную концентрацию ионов. Это обуславливает прохождение через них тока. Ионы в электролитах формируются в результате так называемой электролитической диссоциации. Чем выше температура электролитической среды – тем ниже ее показатели сопротивления. Это объясняется ростом количества молекул, разложившихся на ионы. Когда ток проходит через электролит, ионы устремляются к электродам, оседают на них и приходят в нейтральное состояние. Это явление носит название электролиза.

Закон электролиза выявил знаменитый ученый Майкл Фарадей. Он определяет массу вещества, которое оседает на электроде.

Наконец, существует еще и вакуумный электрический ток, который находит применение в электронно-лучевых трубках всевозможных приборах и бытовой техники.

Источник

Что называется электрическим током

В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.

Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):

Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I₁ до значения I₂, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:

Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:

При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:

где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.

Сопротивление проводника зависит и от его температуры:

где: R₀ – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.

Диод в цепи постоянного тока

Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:

Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.

Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников

Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.

1. Закономерности последовательного соединения:

Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R₀ находится по формуле:

2. Закономерности параллельного соединения:

Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R₀ находится по формуле:

Электроизмерительные приборы

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:

Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).

Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):

Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.

Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

Несколько источников ЭДС в цепи

Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:

1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:

Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.

2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:

В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.

При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:

В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:

Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Энергобаланс замкнутой цепи

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:

Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:

Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R₁ и R₂ на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:

Мощность потерь или мощность внутри источника тока:

Полная мощность, развиваемая источником тока:

КПД источника тока:

Электролиз

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:

где: n – валентность вещества, N_A – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:

Электрический ток в газах и в вакууме

Электрический ток в газах

Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.

Электрический ток в вакууме

Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.

Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.

Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?

Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:

Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов, а также ответственная проработка итоговых тренировочных тестов, позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того, на что Вы способны.

Нашли ошибку?

Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на электронную почту (адрес электронной почты здесь). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.

ЗАПРЕЩЕНО использование представленных на сайте материалов или их частей в любых коммерческих целях, а также их копирование, перепечатка, повторная публикация или воспроизведение в любой форме. Нарушение прав правообладателей преследуется по закону. Подробнее.

Источник

Что такое электрический ток, виды и условия его существования

Электрический ток – это движение заряженных частиц в определенном направлении. Происходит подобное явление под влиянием поля. Частицами являются электроны, которые двигаются по проводнику и ионы, передвигающиеся в электролитной среде. Ионы бывают анионами и катионами. Проявляется ток в следующем:

В статье будет рассказано все о таком явлении, как ток. Подробнее будет рассказано об этом в двух видеороликах.

Классификация

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционный ток. Различают переменный (англ. alternating current, AC), постоянный (англ. direct current, DC) и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают. Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.

Переменный ток — ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону.

Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.

В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал).

В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Квазистационарный ток

Это «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

[stextbox ток высокой частоты — ток, в котором условие квазистационарности уже не выполняется, ток проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.[/stextbox]

Пульсирующий ток

Ток, у которого изменяется только величина, а направление остаётся постоянным.

Вихревые токи (токи Фуко)

Замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока.

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов.

П[stextbox очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.[/stextbox]

Характеристики

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц. Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света.

За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Что такое ток, напряжение и сопротивление

Электрический ток ( I ) – это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая приходит в голову из школьного курса физики – движение электронов. Безусловно. Однако электрический заряд могут переносить не только они, а, например, еще ионы, определяющие возникновение электрического тока в жидкостях и газах. Хочу предостеречь также от сравнения тока с протеканием воды по шлангу. (Хотя при рассмотрении Закона Кирхгофа такая аналогия будет уместна). Если каждая конкретная частица воды проделывает путь от начала до конца, то носитель электрического тока так не поступает.

Если уж нужна наглядность, то я бы привел пример переполненного автобуса, когда на остановке некто, втискиваясь в заднюю дверь, становится причиной выпадения из передней менее удачливого пассажира. Условиями возникновения и существования электрического тока являются:

Будем считать, что теперь про электрический ток Вы знаете все. Это, конечно, шутка. Тем более что еще ничего не сказано про электрическое поле, которое у многих ассоциируется с напряжением, что не верно. Электрическое поле – это вид материи, существующей вокруг электрически заряженных тел и оказывающее на них силовое воздействие. Опять же, обращаясь к знакомому со школы “одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются” можно представить электрическое поле как нечто это воздействие передающее.

[stextbox поле, равно как любое другое непосредственно ощутить нельзя, но существует его количественная характеристика – напряженность электрического поля.[/stextbox]

Существует множество формул, описывающих взаимосвязь электрического поля с другими электрическими величинами и параметрами. Я ограничусь одной, сведенной к примитиву: E=Δφ. Здесь:

Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо каким либо образом создать. Хорошо знакомые опыты электризации расчески, натирания тканью эбонитовой палочки, верчения ручки электростатической машины по вполне очевидным причинам на практике неприемлимы.

Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечивать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одно из них – хорошо всем известная батарейка), получившие название источник электродвижущей силы (ЭДС), которая обозначается так: ε. Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают сторонние силы, перемещая единичный заряд, но для того, чтобы получить первоначальное понятие что такое электрический ток, напряжение и сопротивление нам не нужно подробное рассмотрение этих процессов в интегральной и иных не менее сложных формах.

Напряжение ( U )

Наотрез отказываюсь продолжать заморачивать Вам голову сугубо теоретическими выкладками и даю определение напряжения как разности потенциалов на участке цепи: U=Δφ=φ1-φ2, а для замкнутой цепи будем считать напряжение равным ЭДС источника тока: U=ε. Это не совсем корректно, но на практике вполне достаточно. Сопротивление ( R ) – название говорит само за себя – физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Формула, определяющая зависимость напряжения, тока и сопротивления называется закон Ома. Этот закон рассматривается на отдельной странице этого раздела.

Кроме того, сопротивление зависит от ряда факторов, например, материала проводника. Данные эти справочные, приводятся в виде значения удельного сопротивления ρ, определяемого как сопротивление 1 метра проводника/сечение. Чем меньше удельное сопротивление, тем меньше потери тока в проводнике.

Соответственно сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S, будет составлять R=ρ*L/S. Непосредственно из приведенной формулы видно, что сопротивление проводника также зависит от его длины и сечения. Температура тоже оказывает влияние на сопротивление. Несколько слов про единицы измерения тока, напряжения, сопротивления. Основные единицы измерения этих величин следующие:

Это единицы измерения интернациональной системы (СИ) не всегда удобны. На практике применяются из производные (милиампер, килоом и пр.). При расчетах следует учитывать размерность всех величин, содержащихся в формуле. Так, если Вы, в законе Ома умножите ампер на килоом, то напряжение получите совсем не вольтах.

Терминология

Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток. Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.

В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.

Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод. Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током. Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы. Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.

Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.

Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой). В электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.

Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного. Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.

Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.

[stextbox электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля. Смотрите – условия существования электрического тока. В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение «свободных» электронов, причем электроны движутся в направлении, противоположном условному направлению тока (т. к. за направление тока условно принято направления движения зарядов).[/stextbox]

Электрический ток в газах представляет собой движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) в другом направлении. Наконец, электрический ток в электролитах представляет собой движение существующих в жидкости положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях. Сила электрического тока — количество электричества, прошедшее через все поперечное сечение тока за 1 сек., зависит, с одной стороны, от количества движущихся зарядов, а с другой — от средней скорости их регулярного движения. В металлических проводниках количество движущихся зарядов (свободных электронов) чрезвычайно велико (порядка 10 23 в 1 см 3 ), но зато средняя скорость регулярного движения очень мала (при самых сильных токах, которые может выдержать проводник, эта средняя скорость имеет величину порядка сантиметра в секунду). Обычно несколько меньше количество движущихся зарядов в жидкостях и соответственно их средние скорости несколько больше.

В газах же вследствие их гораздо меньшей плотности и вследствие того, что только небольшая доля всех молекул газа оказывается ионизированной, количество движущихся зарядов гораздо меньше, но зато средние скорости движения электронов и ионов гораздо больше, чем в металлических проводниках, и достигают сотен и даже тысяч километров в секунду. Понятие “электрический ток” ввел итальянский физик Алессандро Вольта. Электрический ток, или по его версии “электрический флюид” протекал в замкнутой цепи, соединяющей металлическим проводником крайние кружки вольтова столба.

“Вотльтов столб” (1800 г.) был первый источник электричества неэлектростатического типа (источник постоянного электрического тока), который состоял из чередующихся между собой медных и цинковых кружков, разделенных суконными прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой. Существование неизменного высокого потенциала на вольтовом столбе было явлением для того времени совершенно новым. Это был первый химический источник электричества, потенциал которого был постоянен во времени и не требовал каких-либо приемов электризации для его возобновления.

Французский физик А. М. Ампер посвятил ряд своих работ изучению связи электрического тока и магнетизма. Он обнаружил, что два проводника с током испытывают взаимное воздействие — притяжение или отталкивание в зависимости от направления в них токов. Своими работами он заложил основы электродинамики. Он предложил термин “электрический ток” и ввел понятие о его направлении, совпадающем с движением положительного электричества. В честь А. М. Ампера названа единица измерения электрического тока. Ампер является одной из семи основных единиц системы СИ.

Электрический ток обладает рядом свойств, которые могут быть эффективно использованы во многих практических случаях. К таким свойствам относятся трансформация простыми техническими средствами энергии электрического тока в энергию других видов (тепловую, световую, механическую, химическую) и возможность передачи ее на большие расстояния, быстрота распространения.

Источник

Содержание:

Электрический ток:

Для работы электроприборов необходим электрический ток. Фонарики, электронные часы, аудиоплейеры, радиоприёмники и телефоны используют электроэнергию батареек или аккумуляторов. Лампы, холодильники, телевизоры, пылесосы работают от электросети, то есть получают электроэнергию по проводам с электростанции.

Что же такое электрический ток и что нужно, чтобы он возник и существовал необходимое время?

Слово «ток» означает движение или течение чего-либо. А что может перемещаться в проводниках, соединяющих батарейку с лампой, холодильник — с электростанцией?

Явление электризации тел обусловлено наличием в них электрически заряженных частиц — электронов, а также положительных и отрицательных ионов, всегда находящихся в состоянии беспорядочного теплового движения (рис. 28). Есть много веществ, в которых при определённых условиях заряженные частицы могут свободно перемещаться на значительные расстояния по всему объёму тела. Например, в технике давно применяют металлические проводники, в которых носителями электричества являются свободные электроны. Если на все свободные заряженные частицы действовать какой-либо силой в одном направлении, то их беспорядочное перемещение дополнится движением в направлении приложенной силы. Говорят, что в теле возникает электрический ток.

Если в объёме проводника создать электрическое поле, то под его действием свободные заряженные частицы будут перемещаться в направлении приложенных к ним электрических сил, то есть в проводнике возникает электрический ток (рис. 29). Например, в проводнике, соединяющем шарик заряженного электрометра с Землёй, возникает электрическое поле, а вместе с ним и электрический ток, который прекращается, как только весь заряд шарика, образующий электрическое поле, переходит в землю.

Рис. 28	Рис. 29

Чтобы электрический ток в проводнике протекал как можно дольше, в нём необходимо постоянно поддерживать электрическое поле, то есть обеспечивать на одном конце проводника избыток зарядов определённого знака, а на другом — их недостаток (дефицит). Такое постоянное распределение зарядов на концах проводника создаётся и поддерживается источниками электрического тока.

Источниками электрического тока называют устройства, в которых происходит преобразование энергии определённого вида в электрическую энергию.

В каждом источнике тока выполняется работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника. Соответственно эти полюса условно обозначают знаками «+» и «-».

На практике используют разнообразные источники электрического тока. По видам преобразуемой энергии их разделяют на: химические (гальванические элементы, аккумуляторы), световые (фотоэлементы, солнечные батареи), тепловые (термоэлементы), механические (электрофорная машина, генераторы электрического тока разного рода).

Если к гальваническому элементу с помощью проводников присоединить электрическую лампу (рис. 30), то под действием электрического поля заряженные частицы в проводнике приходят в движение, возникает электрический ток, лампа загорается.

Рис. 30

Первый химический источник тока создал в 1799 г. итальянский физик Алессандро Вольта и назвал его гальваническим элементом в честь основателя учения об электричестве Луиджи Гальвани. Этот элемент давал напряжение около 1 вольта (1 В). Для получения более высокого напряжения А. Вольта собрал батарею (так называемый вольтов столб) из 20 цинковых, 20 медных и 20 суконных кружков, сложенных один на другой (рис. 31).

Рис. 31

В гальванических элементах происходят химические реакции, благодаря которым выполняется работа по разделению разных зарядов, то есть химическая энергия преобразуется в электрическую.

Опыт. Опустим в раствор серной кислоты две пластины — цинковую и медную. Получим простейший гальванический элемент (рис. 32). В нём происходит перераспределение положительно и отрицательно заряженных частиц вещества. В результате обе пластины электризуются, и между ними возникает электрическое поле. Эти пластины называются электродами (полюсами) источника тока.

Рис. 32

Гальванический элемент состоит из цинкового стакана 1, заполненного желеобразной смесью (рис. 33). В смесь вставлен угольный стержень 2. Сверху стакан залит слоем смолы 3.

Рис. 33

В результате химических реакций цинковый стакан становится отрицательно заряженным (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно заряженным (положительный электрод). Между электродами возникает электрическое поле. Если положительный и отрицательный электроды соединить проводником, то в нём возникнет электрический ток.

Несколько гальванических элементов можно соединить в батарею. Если необходимо получить большее напряжение, то используют последовательное соединение элементов: отдельные элементы соединяют между собой разноимёнными полюсами. На рисунке 34 изображена батарея из трёх элементов, в которой стержень первого элемента соединён с цинковым стаканом второго, а угольный стержень второго — со стаканом третьего элемента. Цинковые стаканы изолированы один от другого. От цинкового стакана первого элемента и угольного стержня третьего отведены две жестяные полоски: первая — отрицательный полюс батареи, вторая — положительный.

Рис. 34

Для получения большего тока используют параллельное соединение элементов: отдельные элементы соединяют в батарею одноимёнными полюсами, то есть корпус — с корпусом, а стержень — со стержнем. Аккумулятор (от латинского аккумуле — накапливаю) — это химический источник, в котором электрическая энергия накапливается при пропускании электрического тока в кислотном или щелочном растворе.

Аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. Кислотный аккумулятор состоит из однородных электродов (рис. 35), например свинцовых пластин, помещённых в раствор серной кислоты. В щелочных аккумуляторах электроды изготовлены из разных металлов, например железа и никеля, и опущены в раствор едкой щёлочи. Для того чтобы аккумулятор стал источником тока, его необходимо «зарядить». Для этого через него пропускают ток от какого-либо другого источника. В процессе зарядки и в результате химических реакций один электрод заряжается положительно, а другой — отрицательно. После зарядки аккумулятора его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюса аккумуляторов обозначены знаками «+» и «-». При зарядке аккумулятора его положительный полюс соединяют с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным.
Аккумуляторы используют для запуска автомобильных двигателей (рис. 36), освещения автомобилей и железнодорожных вагонов. Они питают электроэнергией подводные лодки. Аппаратура на искусственных спутниках, космических кораблях и станциях также питается от установленных на них аккумуляторов, которые заряжаются от солнечных батарей.

Под действием света, падающего на поверхность пластин из селена или кремния, в них происходит перераспределение положительных и отрицательных электрических зарядов (рис. 37). На этом основаны конструкция и действие солнечных батарей (рис. 38), в которых происходит прямое преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию.

Рис. 35

Рис. 35

Рис. 36

Рис. 37

Рис. 38

В Институте полупроводников HAH Украины разработаны солнечные батареи с КПД 18 %, то есть близкие к максимально возможному. А учёные Национального технического университета «КПИ» использовали солнечные батареи для создания фотоэлектрической станции мощностью 5 кВт.

Если спаять две проволоки, изготовленные из разных металлов, а место спая нагреть, то в проводах возникнет электрический ток (рис. 39). Такой источник тока называют термоэлементом, или термопарой. В нём внутренняя энергия нагревателя преобразуется в электрическую энергию.

Рис. 39

В элекгрофорной машине два диска из органического стекла (с размещёнными по кругу металлическими полосками) вращаются в противоположных направлениях. В результате трения проволочных щёток о полоски на кондукторах (полюсах) машины накапливаются заряды противоположных знаков (рис. 7 на с. 10). Механическая энергия вращения дисков преобразуется в электрическую энергию.
На тепловых, атомных, ветровых и гидроэлектростанциях электрический ток вырабатывают с помощью генераторов электрического тока (от латинского слова генератор — производитель, создатель). Об устройстве и действии генераторов вы узнаете позднее.

Электрическая цепь и её составляющие

Чтобы доставить электрическую энергию от источника к потребителю, их соединяют между собой проводниками электрического тока. Для этого используют преимущественно медные или алюминиевые провода.

Простейшая электрическая цепь состоит из источника тока (рис. 40), потребителя электроэнергии (лампа, электродвигатель), соединительных проводов и устройства для замыкания и размыкания цепи — выключателя (ключа).

Рис. 40

Для того чтобы в цепи проходил ток, она должна быть замкнутой, то есть состоять только из проводников электрического тока. Если в каком-либо месте отсоединить провод или случится его обрыв, то в цепи тока не будет. На этом основано действие выключателей.

Чертёж, на котором изображают различные способы соединения элементов электрической цепи, называют схемой электрической цепи.

Приборы и соединения на схемах изображают с помощью условных обозначений. Некоторые из них приведены на странице I форзаца.

На рисунке 41 изображена схема простейшей электрической цепи.

Рис. 41

Электрический ток в металлах

Рассмотрим внутреннее строение металлических проводников. В каждом металле часть электронов покидает своё место в атоме, при этом атом превращается в положительный ион. Положительные ионы в металлах размещаются в строгом порядке, образуя кристаллические решётки (рис. 42). Между ионами хаотически движутся свободные электроны в виде электронного газа.

Рис. 42

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов кристаллических решёток. Поэтому в обычных условиях металлический проводник электронейтрален.

Итак, какие электрические заряды перемещаются под действием электрического поля в металлических проводниках?

В 1899 г. К. Рикке включал в основной провод питания трамвайных линий в Штутгарте последовательно три металлических цилиндра, тесно прижатых один к другому торцами: два крайних — медные, а средний — алюминиевый. Через эти цилиндры более года проходил электрический ток. В результате точного взвешивания оказалась, что диффузии в металлах не происходило: в медных цилиндрах не было атомов алюминия и наоборот.

Таким образом, К. Рикке доказал, что при прохождении по проводнику электрического тока в металлах ионы не перемещаются. Следовательно, электрический ток в металлических проводниках образуется благодаря упорядоченному движению электронов.

Теперь остаётся выяснить: как движутся свободные электроны?

При отсутствии в проводнике электрического поля движение электронов хаотическое, как движение молекул газов или жидкостей. В любой момент скорости движения разных электронов отличаются значением и направлением.

При наличии в проводнике электрического поля электроны, сохраняя своё хаотическое движение, начинают смещаться к положительному полюсу источника. Одновременно с беспорядочным движением электронов возникает их упорядоченное движение. На рисунке 43 схематично показана траектория движения одного электрона из точки 1 в точку 2 под действием электрического поля.

Рис. 43

Отсюда следует: электрический ток в металлах (металлических проводниках) — это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля, которое создаётся источником электрического тока.

Исследованием электронной проводимости металлов занимался украинский учёный А. Э. Малиновский (1884-1937). Он представил свою интерпретацию взаимодействия свободных электронов и положительных ионов в металлах. Сделал уточнения к теории экспериментов, которые в 1916 г. проводили американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт. Они раскручивали до большой скорости катушку из тонкого медного провода вокруг её оси. Потом катушку резко тормозили и регистрировали в цепи кратковременный электрический ток, обусловленный инерцией носителей заряда, которыми оказались именно электроны.

Действия и направление электрического тока

Движение электрически заряженных частиц в веществе проводников глаз человека не воспринимает. При этом направленное движение заряженных частиц связано с целым рядом явлений, по которым можно определить наличие электрического тока в цепи.

Рис. 44

Опыт 1. Присоединим к полюсам источника тока никелиновый или нихромовый провод (рис. 44). Видим, что он нагревается, накаляется до красного свечения и провисает. Наблюдаем тепловое действие тока. Под действием электрического тока в электрических лампах вольфрамовая нить накаляется до яркого свечения, нагреваются спирали электроутюгов и электроплит.

Тепловое действие тока широко используется при контактной сварке металлов (рис. 45). Через детали в процессе сварки пропускают сильный ток. В результате в местах контактов детали сильно нагреваются и свариваются.

Рис. 45

Опыт 2. На железный гвоздь или стержень намотаем несколько десятков витков изолированного медного провода. Освободив его концы от изоляции, присоединим их к источнику тока. Видим, что гвоздь приобретает свойство притягивать к себе мелкие железные предметы: опилки, гвозди, скрепки и т. п. (рис. 46), то есть он стал магнитом. В этом опыте проявляется магнитное действие электрического тока.

Рис. 46

Рис. 47

Опыт 3. По рисунку 47 собираем электрическую цепь. Если в банке чистая (дистиллированная) вода, то электрическая лампа не горит. Если в воду добавить кристаллы медного купороса, то лампа засветится.

Следовательно, в растворе медного купороса проходит электрический ток. Если через определённое время вынуть из банки отрицательный электрод, то увидим, что на нём выделилась чистая медь, то есть прохождение электрического тока сопровождается химическим превращением веществ.
Химическое действие тока используют для получения чистых металлов.

Световое действие тока вы можете наблюдать при свечении ламп дневного света (рис. 48). Под действием электрического поля газы, находящиеся в лампе, начинают светиться. В природе световое действие электрического тока наблюдается во время электрического разряда — молнии (рис. 49).
А какое направление имеет электрический ток?

Рис. 46

Рис. 47

Ещё раз вспомним, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Движение каких именно заряженных частиц в электрическом поле принимают за направление тока?

На практике чаще всего имеют дело с электрическим током в металлических проводниках, поэтому за направление тока в цепи целесообразно принять направление движения электронов в электрическом поле, то есть от отрицательного полюса источника к положительному.

Но вопрос о направлении тока возник в науке, когда об электронах и ионах ничего не было известно. Полагали, что во всех проводниках могут перемещаться как положительные, так и отрицательные заряды.

За направление электрического тока условно принимают то направление, в котором перемещаются (или могли бы перемещаться) в проводнике положительные заряды, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Убедимся, что от направления тока зависит его механическое действие.

Рис. 50

Пример №1

Если между параллельными металлическими пластинами, присоединенными к кондукторам работающей электрофорной машины, разместить лёгкие пёрышки, то они будут интенсивно перемещаться от одной пластины к другой. Какое физическое явление моделирует данный опыт?
Ответ: электрический ток. Пёрышки совершают упорядоченное движение частиц в электрическом поле.

Пример №2

Будет ли действовать элемент Вольта, если оба его электрода — цинковые или медные?
Ответ: нет, поскольку не будет различия в зарядах электродов.

Пример №3

Начертите схему электрической цепи, состоящей из батареи аккумуляторов, двух параллельно соединённых ламп амперметра, выключателя, соединительных проводников.
Ответ: схема электрической цепи показана на рисунке 51.

Рис. 51

Сила тока

Электрический заряд, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, определяет силу тока в цепи.

Сила тока — это физическая величина, которая характеризует электрический ток и определяется отношением электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения.

Силу тока обозначают латинской буквой I. Формула для определения силы тока имеет вид:

где q — электрический заряд, проходящий через проводник за время t.

За единицу силы тока принят один ампер (1 А). Эта единица названа в честь французского физика Андре-Мари Ампера. На Международной конференции мер и весов в 1948 г. принято решение в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током.
Возьмём два гибких прямых проводника, разместим их параллельно и присоединим к источнику тока. При замыкании цепи в проводниках проходит электрический ток, в результате они взаимодействуют между собой: притягиваются, если направление тока в них одинаковое (рис. 56, а), либо отталкиваются, если направление противоположное (рис. 56, б).

Рис. 56

Этот опыт впервые выполнил А.-М. Ампер. Он измерял силу взаимодействия проводников с током. Оказалось, что эта сила зависит от длины проводников, расстояния между ними, среды, в которой они размещены, и от силы тока в проводниках. Учёный определил, что два очень тонких и длинных параллельных проводника длиной Imb безвоздушном пространстве (вакууме), расстояние между которыми равно 1 м, а сила тока в каждом из них одинакова, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.

Через единицу силы тока 1А определяют единицу электрического заряда.

Поскольку, то q = It. Поскольку I = 1 A, t = 1 с, то единица электрического заряда — один кулон (1 Кл).
1 кулон = 1 ампер ∙ 1 секунда, или 1 Кл = 1A∙1c = 1A∙с.

Из определения силы тока следует, что при силе тока IA через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит электрический заряд 1 Кл, то есть 1. Зная заряд электрона, можно определить, что при силе тока 1 А через поперечное сечение проводника проходят 6,25 ∙ 10 18 электронов в секунду.

Химическое действие тока используется при зарядке аккумуляторов, хромировании и никелировании деталей и изделий, при электрохимическом получении металлов. Сила тока во время этих процессов составляет от нескольких ампер (зарядка аккумуляторов) до сотен и даже тысяч ампер (получение чистых металлов).

Магнитное действие тока используют в электромагнитах, двигателях и др. При работе мощных двигателей сила тока может достигать сотен ампер.

В таблице 1 приведены значения силы тока в некоторых технических устройствах и приборах.

Таблица 1 Сила тока в различных технических устройствах и приборах

Устройство, прибор	Сила тока, А
Электронный микроскоп	0,00001
Кинескоп телевизора	0,00012
Рентгеновская установка	0,02-0,10
Электробритва	0,08
Электрический фонарик	0,3
Велосипедный генератор (при )	0,3
Электрическая лампа	0,3-0,4
Пылесос	1,9-4,2
Электроплитка	3-4
Генератор автомобиля	17
Двигатель троллейбуса	160-220
Двигатель электровоза	350
Аппарат для контактной сварки	10 000

Для измерения силы тока в цепи используют прибор — амперметр (рис. 57). Шкала амперметра на рисунке 57, а проградуирована в амперах (А), а на рисунке 57, б — в микроамперах (сокращённое обозначение — мкА, международное — μA). IIa шкалах соответственно написаны буквы А и μA. На схемах амперметр изображают буквой А в кружке (рис. 58).

Любой измерительный прибор при включении в цепь не должен влиять на значение измеряемой величины. Поэтому конструкция амперметра такова, чтобы при включении в цепь сила тока в ней почти не изменялась. При этом электрическое сопротивление должно быть как можно меньшим (об электрическом сопротивлении узнаете позднее).

Рис. 57

Рис. 58

Для измерения силы тока в цепи амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, в котором измеряют силу тока. Для этого надо «разорвать» цепь, то есть отсоединить от прибора один из проводников, и в образовавшийся промежуток включить амперметр с помощью двух клемм или зажимов на его корпусе. Возле одной из клемм амперметра стоит знак «плюс» («+»), возле другой — «минус» (иногда «-» не указывают). Клемму со знаком «+» надо обязательно соединить с проводом, который отходит от положительного полюса источника тока.

Поскольку по закону сохранения электрического заряда количество зарядов, поступающих в цепь от одного из полюсов источника тока, равно количеству зарядов, которые возвращаются на второй полюс источника, то сила тока одинакова на разных участках цепи с последовательно соединёнными приборами. Поэтому для измерения силы тока в такой цепи амперметр можно включать в любом месте, его показания всегда будут одинаковы.

Опыт 2. Собираем электрическую цепь (рис. 59) и измеряем силу тока в спирали лампочки карманного фонарика. Сила тока равна 1 А.

В технике применяют разнообразные амперметры. По их шкалам либо другим обозначениям видно, на какую наибольшую силу тока они рассчитаны. Превышать эту силу тока нельзя, так как прибор может выйти из строя. На практике также используют амперметры с цифровыми индикаторами. Например, на рисунке 60 показано, что измеренная таким амперметром сила тока в цепи равна 0,0625 А.
Современными амперметрами можно измерять силу тока до 10 5 А.

Рис. 59

Рис. 60

Электрическое напряжение

Под действием электрического поля, которое создаёт источник тока, заряженные частицы перемещаются по проводнику. При этом выполняется работа: накаляется спираль электролампы, приходит в движение электрический двигатель и т. д. Это говорит о том, что главную роль в прохождении электрического тока в проводниках играет электрическое поле. Для характеристики электрического поля вводят физическую величину, которая называется электрическим напряжением, или напряжением.

Напряжение — это физическая величина, которая определяется отношением работы электрического поля на данном участке цепи к электрическому заряду, прошедшему по этому участку. Оно характеризует электрическое поле, которое образует ток.

Напряжение обозначается большой латинской буквой U. Формула для определения напряжения:
,

где А — работа, выполненная электрическим полем при прохождении тока;
q — значение электрического заряда, перенесённого током.

Единица напряжения в СИ — один вольт (1 В). Названа так в честь Алессандро Вольта, создавшего первый гальванический элемент.

Один вольт (1 В) — это напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в один кулон (1 Кл) поэтому проводнику равна одному джоулю (1 Дж).

Отсюда .

Кроме вольта применяют дольные и кратные ему единицы: милливольт (мВ) и киловольт (кВ).
1 мВ = 0,001 В; 1 кВ = 1000 В.

Электрические приборы работают при разном напряжении. Например, при контактной сварке напряжение составляет 0,1 В, бытовые приборы работают при напряжении 220 В, мощные двигатели — 380 В, а двигатели электровоза — 1500 В.

Разные источники тока характеризуются рабочим напряжением. В гальваническом элементе и аккумуляторе (химических источниках тока) значение напряжения небольшое. Если в гальваническом элементе медный и железный электроды, то напряжение 0,78 В, медный и цинковый — 1,1 В, серебряный и цинковый — 1,56 В. Среднее напряжение свинцового кислотного аккумулятора составляет 2 В, а железоникелевого щелочного — 1,25 В.

Термоэлементы (термопары) и фотоэлементы (солнечная батарея) создают ещё меньшие напряжения. Например, термоэлемент из графита и карбида титана при нагревании спая до 1 000°C создаёт напряжение 52 мВ (0,052 В).

Солнечная кремниевая батарея площадью 160 см 2 при освещении солнечными лучами даёт 2 В. Чтобы получить большие напряжения, гальванические элементы, аккумуляторы, термо- и фотоэлементы соединяют в батареи.

В таблице 2 приведены значения напряжения в некоторых технических устройствах и приборах.

Таблица 2 Напряжение в различных технических устройствах и приборах

Устройство, прибор	Напряжение, В
Электронный микроскоп	130 000
Кинескоп телевизора	16 000
Рентгеновская установка	70 000-200 000
Электробритва	220
Электрический фонарик	4,5
Велосипедный генератор (при )	7,2
Электрическая лампа	220
Электроплитка	220
Генератор автомобиля	12
Двигатель троллейбуса	550
Двигатель электровоза	1 500
Аппарат для контактной сварки	0,1

Для измерения напряжения в электрических цепях используют вольтметр (рис. 62, а) — для школьных опытов, б — для лабораторных работ).

Чтобы отличить вольтметры от амперметров или других электрических измерительных приборов, на их шкалах ставят букву V. На схемах вольтметр изображают так, как это показано на рисунке 62, в. Как и у амперметра, возле одного зажима вольтметра ставят знак «+». Этот зажим обязательно надо соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Иначе стрелка прибора будет отклоняться в обратную сторону, и он может выйти из строя, то есть важно учитывать направление электрического тока.
Вольтметр включают иначе, чем амперметр.

Рис. 62

Опыт. 2 Измеряем напряжение, которое даёт батарея гальванических элементов (рис. 63). Напряжение на полюсах батареи составляет 4,6 В. (Примечание: нельзя таким образом включать амперметр, так как он выйдет из строя!) Подсоединим теперь вольтметр к одному из зажимов выключателя и лампы. Вольтметр ничего не показывает (рис. 64, а). А если подсоединить вольтметр к обоим зажимам лампы, то он покажет, какое напряжение поступает на лампу (рис. 64, б). Это напряжение равно 4 В.

Рис. 63

Рис. 64

Вольтметр подсоединяем параллельно к участку цепи, на котором нужно измерить напряжение, то есть зажимы вольтметра надо подсоединить к тем точкам цепи, между которыми необходимо измерить напряжение. При этом через вольтметр проходит определённый ток из цепи, что приводит к изменению значения напряжения в точках соединения. Чтобы это изменение было как можно меньшим, электрическое сопротивление вольтметра должно быть большим (об электрическом сопротивлении узнаете позднее).

На практике также используют вольтметры с цифровыми индикаторами. Измеряем напряжение в электросети, оно равно 217 В (рис. 65).

Современными вольтметрами можно измерять напряжение до 10 6 В.

Рис. 65

Кстати:
У некоторых рыб есть органы, вырабатывающие электрический ток. Например, электрический сом даёт разряды напряжением до 360 В, электрический скат — до 220 В, электрический угорь — до 650 В и силой тока 2 А.

Электрическое сопротивление проводников

Вы уже знаете, что электрический ток в цепи — это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле. Чем сильнее действие электрического поля на заряженные частицы, которые в нём перемещаются, тем больше сила тока в цепи.

При этом действие электрического поля характеризуется напряжением. Итак, возникает вопрос: зависит ли сила тока в проводнике от напряжения на его концах?

Опыт 1. Собираем электрическую цепь, используя гальванический элемент, ключ, амперметр, никелиновую спираль от магазина сопротивлений, к которой параллельно присоединяем вольтметр (рис. 67).

Замкнём цепь и зафиксируем показания приборов (рис. 67, а). К гальваническому элементу последовательно присоединим такой же и снова замкнём цепь. Мы видим, что напряжение на спирали при этом увеличилось в два раза, а амперметр показывает вдвое большую силу тока (рис. 67, б).

Если соединить последовательно три элемента, то напряжение на спирали увеличится в три раза, во столько же раз увеличится и сила тока в электрической цепи.

Рис. 67

Графически это можно изобразить следующим образом (рис. 68). На горизонтальной оси в выбранном масштабе откладываем значения напряжения, а на вертикальной — соответствующие им значения силы тока. Наносим точки на плоскость и получаем график линейной зависимости: чем большее напряжение приложено к участку цепи, тем больший ток в цепи.

Следовательно, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

Рис. 68

Опыт 2. Собираем электрическую цепь (рис. 69). При её замыкании амперметр показывает определённое значение силы тока. Разомкнув цепь, присоединим к лампе никелиновый провод длиной 1— 2 м. Снова замкнём цепь и видим, что сила тока в цепи уменьшилась. Если вместо никелинового провода включить в цепь такого же размера нихромовый провод, то амперметр покажет ещё меньшую силу тока. При включении медного провода такого же размера сила тока в цепи возрастает.

Рис. 69
Если при замыкании цепи каждый раз присоединять к концам этих проводников вольтметр, то он будет показывать одинаковое напряжение. Следовательно, сила тока в цепи зависит не только от напряжения, но и от свойств проводников, включённых в цепь.

Зависимость силы тока от свойств проводника объясняется тем, что направленному движению свободных электронов в металлическом проводнике противодействуют их хаотические столкновения с ионами кристаллической решётки, находящимися в состоянии теплового движения (колебаний). Это противодействие приводит к уменьшению скорости направленного движения заряженных частиц, то есть к уменьшению силы тока в цепи.

Величина, характеризующая свойство проводника противодействовать направленному перемещению свободных зарядов внутри него, называется электрическим сопротивлением проводника.

Проводники, имеющие одинаковые геометрические размеры (длину и площадь поперечного сечения), но изготовленные из разных металлов, имеют разные значения электрического сопротивления, что объясняется различиями в строении их кристаллических решёток.

Электрическое сопротивление обозначают большой латинской буквой R. Единица электрического сопротивления в СИ — один ом (1 Ом); названа в честь немецкого физика Георга Ома.

Значение электрического сопротивления один ом (1 Ом) имеет такой проводник, в котором проходит ток силой один ампер (1 А) при напряжении один вольт (1 В) на его концах.

Схемы электрических и электронных приборов состоят из совокупности электрических цепей, сила тока и напряжение которых зависят от значений электрического сопротивления специальных деталей — резисторов разных конструкций. Значение сопротивления резисторов составляет от десятых долей ома до десяти тысяч мегаомов.

Закон Омa для однородного участка электрической цепи

Явления, происходящие в электрических цепях, характеризуются взаимосвязанными физическими величинами: силой тока, напряжением и сопротивлением. Вы, например, знаете, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах.

Впервые явления в электрических цепях подробно изучил Георг Ом. В 1826 г. ему удалось экспериментально установить зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением в электрических цепях. Эта зависимость оказалась очень важной и получила название закона Ома. Чтобы понять его физический смысл, выполним опыты.

Опыт 1. Используя источник тока, амперметр, спираль из никелинового провода (резистор), вольтметр, ключ и соединительные проводники, собираем электрическую цепь (рис. 70, а). На рисунке 70, б приведена схема этой цепи. Амперметр, включённый в цепь последовательно, будет показывать силу тока, протекающего в спирали. Вольтметр, присоединённый к спирали параллельно, покажет напряжение на её концах. Сопротивление спирали не изменяется.

Рис. 70

Замкнём ключ и снимем показания вольтметра и амперметра: U = 4 В; J = 1A. Если увеличить напряжение в два раза, то есть U = 8 В, то амперметр покажет силу тока в два раза большую, то есть I = 2 А. Отсюда следует: при постоянном сопротивлении проводника сила тока, протекающего в нём, прямо пропорциональна напряжению на его концах (рис. 68 на с. 56).

ОПЫТ 2. Собираем такую же электрическую цепь, как в предыдущем опыте, но вместо одного нихромового включаем поочерёдно провода, сопротивление которых равно соответственно 1 Ом, 2 Ом, 4 Ом (рис. 71, а).

Напряжение на концах каждого проводника в ходе опыта было постоянным, контролируем его значение по показаниям вольтметра. Силу тока в цепи измеряем амперметром.

Результаты опытов следующие: напряжение на концах проводников составляет 2 В; при включении проводника с сопротивлением 1 Ом сила тока в цепи равна 2 A, 2 Ом — 1 А, 4 Ом — 0,5 А. Отложив эти значения на осях координат, построим график (рис. 71, б). Видим, что это гипербола, то есть чем больше сопротивление проводника, тем меньший ток в нём протекает.

Рис. 71

Следовательно, при постоянном напряжении сила тока в проводнике обратно пропорциональна его сопротивлению.

По результатам обоих опытов получаем формулу зависимости силы тока в проводнике I от напряжения на концах проводника U и его сопротивления R:

Эта формула выражает закон Ома.

Сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на данном участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

На законе Ома основан экспериментальный способ определения сопротивления проводника. Из закона Ома следует, что

Итак, для определения сопротивления проводника необходимо измерить напряжение на нём и силу тока, затем значение напряжения разделить на значение силы тока. Из формулы также следует, что единица электрического сопротивления равна отношению единицы напряжения к единице силы тока, то есть .

Если известны сопротивление и сила тока на участке цепи, то по закону Ома можно вычислить напряжение на его концах:

Чтобы определить напряжение на концах участка цепи, силу тока на этом участке необходимо умножить на его сопротивление.

Кстати:

Г. Ом после выхода книги «Теоретические исследования электрических цепей», в которой он изложил открытый им закон, писал, что «рекомендует её добрым людям с тёплым чувством отца, не ослеплённого обезьяньей любовью к детям, но удовлетворённого указанием на открытый взгляд, с которым его ребёнок смотрит на недобрый мир». Мир действительно оказался для него недобрым. Спустя год после выхода его работы в одном из журналов была опубликована статья, в которой исследования Г. Ома подвергались сокрушительной критике. «Тот, кто набожными глазами смотрит на Вселенную, — говорилось в статье, — должен отвернуться от этой книги, поскольку она является плодом безусловных заблуждений, преследующих единственную цель — преуменьшить величие природы».

Злобные и необоснованные нападки на Г. Ома не прошли бесследно. Теорию Ома не приняли. И вместо научных исследований он был вынужден время и энергию тратить на полемику с оппонентами. В одном из своих писем учёный писал: «Появление на свет “Электрических цепей” принесло мне огромные страдания, и я готов проклинать время их зарождения».

Но это были временные трудности. Постепенно теория Ома получила повсеместное признание. Закон Ома внёс такую ясность в правила расчёта токов и напряжений в электрических цепях, что американский учёный Дж. Генри, узнав об открытии Ома, не удержался от восклицания: «Когда я впервые прочитал теорию Ома, то она мне показалась молнией, внезапно озарившей комнату, погружённую во тьму».

Пример №4

Сила тока в цепи электрической лампы равна 0,3 А. Сколько электронов проходит через поперечное сечение спирали за 5 мин?

Решение
Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время протекания тока, вычисляем по формуле:
q = It.
Разделив это значение на элементарный заряд, определим количество электронов, прошедших через поперечное сечение проводника:

Подставив значения известных величин, получим:

электронов.

Ответ: через поперечное сечение спирали проходит 5,6 ∙ 10 20 электронов.

Пример №5

Какое сопротивление имеет вольтметр, рассчитанный на 150 В, если сила тока в нём не должна превышать 0,01 А?

Решение

Сопротивление вольтметра определим по закону Ома:
Подставив значения, получим: R = 150 В: 0,01 A = 15 000 Ом = 15 кОм.

Ответ: сопротивление вольтметра равно R = 15 кОм.

Пример №6

Что изменилось на участке цепи, если включённый с ней последовательно амперметр показывает увеличение силы тока?
Ответ: увеличилось напряжение или уменьшилось сопротивление.

Расчет сопротивления проводника

Причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие свободных электронов с ионами кристаллической решётки металла. Рассмотрим, от чего зависит сопротивление проводника.

Опыт 1. В электрическую цепь (рис. 78) поочерёдно включаем проводники из одного материала, одинакового диаметра, но разной длины. Силу тока измеряем амперметром, а напряжение — вольтметром.

По результатам опытов делаем вывод: чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление. Поскольку чем длиннее проводник, тем большее противодействие испытают на своём пути частицы, перемещающиеся направленно.

Опыт 2. Включаем в электрическую цепь поочередно проводники, изготовленные из одного материала и одинаковой длины, но с разным поперечным сечением. Измерив силу тока в проводниках и напряжение на их концах, убеждаемся: чем толще проводник, тем меньше его электрическое сопротивление. Увеличение толщины проводника равнозначно «расширению русла», по которому перемещаются заряды, поэтому сопротивление проводника уменьшается.

Опыт 3. Включаем в электрическую цепь поочерёдно проводники, изготовленные из разных веществ, но одинаковой длины и поперечного сечения. Оказывается, что электрическое сопротивление проводника зависит от того, из какого вещества он изготовлен. Это объясняется тем, что разные металлы имеют разные кристаллические структуры, следовательно, тормозящее действие столкновений ионов и свободных электронов оказывается разным.

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого он изготовлен, впервые установил опытным путём Г. Ом: сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от вещества, из которого он изготовлен.

Зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, характеризуют удельным сопротивлением вещества.

Если длину проводника обозначить буквой I, площадь его поперечного сечения — S, удельное сопротивление — р, то сопротивление проводника определим по формуле:

Из этой формулы можно определить удельное сопротивление вещества:

.

На практике площадь поперечного сечения проводников обычно выражают в квадратных миллиметрах, поэтому единицей удельного сопротивления вещества в этом случае является

В таблице 3 приведены экспериментально полученные значения удельного сопротивления веществ, широко применяемых на практике.

Таблица 3 Удельные сопротивления некоторых веществ (при t = 20 °C)

Лучшими проводниками электричества являются серебро, медь, золото. Но для практических целей (например, создание электросетей) проводники изготовляют из алюминия, меди и железа. В нагревательных элементах используют нихромовые и фехралевые проводники. Фарфор и эбонит являются очень хорошими изоляторами.

Итак, для разных веществ значения удельного сопротивления изменяются в очень широких пределах, что объясняется их разным внутренним строением.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

На практике часто приходится изменять силу тока в цепи, то увеличивая её, то уменьшая. Например, изменяя силу тока в электроплитке, мы регулируем температуру её нагревания.

Для регулирования силы тока в электрической цепи применяют специальные приборы — реостаты. На рисунке 79 показан внешний вид реостатов (их условное обозначение см. в таблице на с. I форзаца). Такие реостаты называют ползунковыми. В них на керамический цилиндр намотан провод, покрытый тонким слоем окалины, поэтому витки провода изолированы один от другого. Над обмоткой размещён металлический стержень, вдоль которого перемещается ползунок. От трения ползунка об витки слой окалины под контактами ползунка стирается, и электрический ток в цепи проходит от витков провода к ползунку, а через него — в стержень с зажимом на конце. Реостат включают в цепь с помощью этого зажима и зажима, соединённого с одним из концов обмотки и размещённого на корпусе реостата.

Рис. 79
Перемещая ползунок, можно увеличивать либо уменьшать сопротивление включённого в цепь реостата.
На рисунке 80 изображён реостат (а) и магазины сопротивлений (б), позволяющие изменять сопротивление в цепи не плавно, а скачкообразно.

Рис. 80

Каждый реостат рассчитан на определённое сопротивление и допустимую силу тока, превышать которую не следует, поскольку обмотка реостата может накалиться и перегореть. Сопротивление реостата и наибольшее допустимое значение силы тока указаны на корпусе реостата. А зависит ли сопротивление проводника от его состояния, в частности температуры?

ОПЫТ 1. Собираем электрическую цепь из источника тока, стальной спирали, амперметра и ключа (рис. 81). Нагреваем спираль в пламени горелки. Амперметр, включённый в цепь, покажет уменьшение силы тока с повышением температуры.

Рис. 81

Следовательно, с изменением температуры сопротивление металлических проводников изменяется: при повышении температуры — увеличивается, при её понижении — уменьшается.
Согласно научным исследованиям в ограниченном диапазоне температур сопротивление металлических проводников возрастает прямо пропорционально температуре (рис. 82), что определяют по формуле:

Где R — сопротивление проводника при определённой температуре; R₀ — сопротивление проводника при 0 o C; t — температура проводника по шкале Цельсия; а — температурный коэффициент сопротивления.

Рис. 82

У чистых металлов (с минимальными примесями):

Например, сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания возрастает при прохождении по ней тока в 10 раз и более.

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры используют в термометрах сопротивления, рабочим элементом которых является платиновый провод. Изменения температуры окружающей среды определяют по изменению сопротивления провода. Такими термометрами можно измерять очень низкие и очень высокие температуры среды, когда жидкостные термометры непригодны.

Для измерения сопротивления проводников используют приборы омметры разных конструкций. На рисунке 83 для измерения сопротивления резистора к нему присоединили омметр. Цифровой индикатор омметра показывает, что сопротивление проводника равно 39,1 Ом.

Пример №7

Сопротивление одной катушки медного провода равно 1,5 Ом, а другой такой же катушки — 6 Ом. Во сколько раз длина провода в первой катушке меньше, чем во второй?
Ответ: Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине. Чем короче медный провод, тем меньше его сопротивление. Отсюда, длина медного провода в первой катушке в 4 раза меньше, чем во второй.

Пример №8

Вещество		Вещество		Вещество
Серебро	0,016	Свинец	0,21	Нихром (сплав)	1,1
Медь	0,017	Никелин(сплав)	0,40	Фехраль(сплав)	1.3
Золото	0,024	Манганин(сплав)	0,43	Графит	13
Алюминий	0,028	Константан (сплав)	0,50	Фарфор	10 19
Вольфрам	0,050	Ртуть	0,96	Эбонит

Решение
Силу тока определим по закону Ома:

.
Неизвестное сопротивление никелинового
провода определим по формуле .

Удельное сопротивление р находим по таблице 3 (с. 66). Тогда силу тока можно вычислить по формуле:. Подставив значения, получим:

Ответ: сила тока в реостате равна 2,5 А.

Последовательное соединение проводников

Электрические цепи на практике состоят из нескольких потребителей, которые могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно и параллельно (смешанное соединение).
При последовательном соединении потребителей * (проводников) их соединяют поочерёдно один за другим без разветвлений проводов между ними.

Oпыт К источнику тока присоединим последовательно две лампы (рис. 84, а), начертим схему этой электрической цепи (рис. 84, б). Если выключить одну лампу, то цепь разомкнётся, и вторая лампа погаснет (рис. 84, в). После выполнения лабораторных работ вам уже известно следующее.

1. При последовательном соединении проводников сила тока в любой части электрической цепи одинакова, то есть

Рис. 84

2. Полное напряжение U в цепи при последовательном соединении, или напряжение на полюсах источника тока, равно сумме напряжений на всех отдельных участках цепи, то есть (в случае двух участков)
U = U₁ + U₂.

Тогда, по закону Ома, общее сопротивление цепи R при последовательном соединении равно сумме всех сопротивлений отдельных проводников либо отдельных участков цепи, то есть (в случае двух проводников)
R = R₁ + R₂.

Параллельное соединение проводников

Последовательно соединённые приборы отключаются все одновременно при размыкании цепи, что не всегда удобно. Например, при освещения дома или комнаты нет необходимости одновременно включать все лампы. При последовательном соединении, выключая одну из ламп, мы выключаем и остальные. Если же необходимо, чтобы приборы работали в цепи независимо, используют параллельное соединение.

При параллельном соединении потребителей (проводников) выводы каждого из них присоединяют к общей для всех паре зажимов (точек или узлов цепи).

На рисунке 85, а показано параллельное соединение двух электрических ламп, а на рисунке 85, б — схему этого соединения (в точках А и В — узлы цепи). Если одну лампу выключить, то другая продолжает светить.

Выполнив опыты, убеждаемся, что напряжение на участке цепи AB и на концах всех параллельно соединённых проводников одинаково, то есть

В быту и технике удобно применять параллельное соединение потребителей, поскольку они рассчитаны на одинаковое напряжение.

Рис. 85

При параллельном соединении ток I в точке А (рис. 85, б) разветвляется на два тока — I₁ и I₂ которые сходятся снова в точке В. Так поток воды в реке разделяется на два рукава, потом снова соединяясь (рис. 85, в). Отсюда очевидна связь между значениями силы тока в ветвях параллельной цепи: сила тока в неразветвлённом участке цепи равна сумме токов в отдельных параллельно соединённых проводниках, то есть

При параллельном соединении как бы увеличивается толщина проводника, поэтому общее сопротивление цепи R становится меньше наименьшего из сопротивлений проводников, включённых в цепь. Из закона Ома можно вывести соотношение для определения общего сопротивления цепи при параллельном соединении:

Если цепь состоит из двух параллельно соединённых одинаковых ламп с сопротивлением каждая, то общее сопротивление цепи будет в два раза меньше сопротивления одной лампы:

В электрических цепях часто встречается смешанное (или сложное) соединение. Это комбинация последовательного и параллельного соединений. В случае трёх резисторов возможны два варианта смешанного соединения. В первом случае (рис. 86, а) есть два последовательно соединённых участка, один из них является параллельным соединением. Общее сопротивление цепи в данном случае равно:

Во втором случае (рис. 86, б) вся цепь рассматривается как параллельное соединение, в котором одна ветка сама является последовательным соединением. Общее сопротивление цепи в данном случае равно:

При большем количестве резисторов собирают разные, более сложные схемы смешанного соединения.

Рис. 86

Пример №9

Два проводника с сопротивлениями R₁ = 2 Ом и R₂ = 3 Ом соединены последовательно. Сила тока в цепи равна 1 А. Определите сопротивление цепи и общее напряжение на проводниках.

Дано: I = 40 м S = 0,05 мм 2 U = 80 В р = 0,40

Решение
Сила тока во всех последовательно
соединённых проводниках одинакова;
I₁ = I₂ = I = 1 А.

Общее сопротивление цепи составляет:
R = R₁ + R₂; R = 2 Ом + 3 Ом = 5 Ом.

По закону Ома: U = IR, U = 1 А ∙ 5 Ом = 5 В.
Ответ: общее сопротивление цепи R = 5 Ом, напряжение U = 5 В.

Пример №10

В осветительную сеть комнаты включены две одинаковые электрические лампы. Сопротивление каждой лампы равно 440 Ом, напряжение в сети — 220 В. Определите общее сопротивление цепи и силу тока в проводах подводки.

Решение
Если сопротивления ламп одинаковы,
то при параллельном соединении
проводников оно равно

R = 440 Ом : 2 = 220 Ом.
По закону Ома:
I = 220 В : 220 Ом = 1 А.

Дано: R1= = 440 Ом R2 = = 440 Ом U= 220 В

R-? I -?

Ответ: общее сопротивление цепи R = 220 Ом, сила тока I — 1 А.

Работа электрического тока

Все известные вам электрические приборы действуют за счёт электрической энергии, которую поставляет источник электрического тока. В результате получаем свет, тепло, звук, механическое движение и т. д., то есть разнообразные виды энергии.

Работа электрического тока —это физическая величина, характеризующая преобразование электрической энергии в другие виды энергии.

Вы уже знаете, что напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле, которое перемещает свободные заряды, создавая ток. Напряжение на концах определённого участка цепи определяется отношением работы А электрического тока на этом участке к электрическому заряду д, прошедшему по ней, то есть:

Из приведённого соотношения получаем формулу для определения работы электрического тока на участке цепи:

Чтобы определить работу электрического тока на участке цепи, необходимо напряжение на концах этого участка умножить на электрический заряд, прошедший по ней.

За время t ток силой I переносит в цепи электрический заряд q = It. Тогда формула для работы А электрического тока имеет такой вид:

где U — напряжение на концах участка; I — сила тока в цепи; t — время выполнения работы.

Чтобы определить работу электрического тока на участке цепи, напряжение на концах этого участка умножаем на силу тока в ней и время, в течение которого выполнялась работа.

Единицей работы электрического тока, как и механической работы, является 1 Дж. Из формулы для работы электрического тока следует: 1 Дж = 1B-1A-1c = 1B-A-с.

Чтобы измерить работу электрического тока в цепи, необходимо иметь вольтметр, амперметр и часы.

Опыт. Собираем электрическую цепь (рис. 87). C помощью вольтметра определяем напряжение, прилагаемое к электрической лампе, а с помощью амперметра — силу тока в спирали лампы. Итак, вольтметр показывает напряжение 2,3 В, амперметр — силу тока 1,2 A.

Для определения работы тока в течение 10 мин, или 600 с, используем формулу A = UIt. Подставим значения:

Следовательно, работа силы тока равна 132 кДж. На практике работу электрического тока также измеряют специальным прибором — электрическим счётчиком, внешний вид которого вы видите на рисунке 88. Счётчик электрической энергии есть в каждом доме или квартире. Его конструкция объединяет свойства всех ранее перечисленных приборов.

Мощность электрического тока

На баллоне или цоколе электрической лампы, корпусе многих бытовых электроприборов, в инструкциях к ним обязательно имеются надписи: «220 В; 60 Вт», «мощность электрического утюга 2,2 кВт» и т. д. Вы уже знаете из механики, что в ваттах измеряют мощность, следовательно, здесь речь идёт о мощности электрического тока.

Мощность электрического тока обозначают большой латинской буквой Р. Если работа электрического тока А выполнена за время t, то мощность электрического тока P определяется по формуле:

Используя известное вам соотношение А = UIt, формулу мощности электрического тока представим в следующем виде:

Мощность электрического тока определяется произведением напряжения на концах участка цепи и силы тока на этом участке.

Используют также кратные единицы мощности: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт), гигаватт (ГВт).
1 гВт = 100 Вт:
1 кВт = 1 000 Вт;
1 МВт = 1 000 000 Вт;
1 ГВт = 1 000 000 000 Вт.

Для измерения мощности электрического тока в цепи применяют вольтметр и амперметр. Есть специальный прибор — ваттметр, которым мощность электрического тока можно измерять непосредственно в цепи.

На рисунке 89 вы видите шкалу такого прибора.

Рис. 89

В таблице 4 приведены значения мощности некоторых потребителей электрического тока.

Таблица 4 Мощность некоторых электрических приборов

Большинство бытовых приборов рассчитано на напряжение 220 В, но разную силу тока. Следовательно, мощность потребителей электроэнергии разная, поэтому одну и ту же работу они выполняют за разное время.

Из определения мощности электрического тока получаем формулу для расчёта электрической энергии, или работы А:

где P — мощность электрического тока; t — время прохождения тока.

Работа электрического тока определяется произведением мощности электрического тока и времени его потребления.

Из этой формулы получаем ещё одно выражение для единицы работы электрического тока: 1 Дж = 1 Вт ∙ 1 с = 1 Вт • с.

Показания электрического счётчика, которым измеряет количество электрической энергии (работу электрического тока), потребляемой приборами в квартире, выражаются именно в киловатт-часах. Механическую работу 3 600 кДж человек может выполнить, если, например, мешок массой 50 кг поднимет по ступенькам на высоту более 7 км. На тепловой электростанции, чтобы выработать 1 кВт • ч, нужно сжечь всего 330 г угля.

В таблице на с. III форзаца приведены виды работ, на выполнение каждой из них затрачивается 1 кВт • ч энергии.

Закон джоуля-ленца

Электрический ток нагревает проводник. Это явление вам хорошо известно. Объясняется оно тем, что заряженные частицы, перемещаясь под влиянием электрического поля, взаимодействуют с атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается.

Английский физик Д. Джоуль и российский физик 3. Ленц показали на опыте, что в неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока затрачивается на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим его телам вследствие теплообмена. Учёные установили, что количество теплоты, которое выделяется проводником с током, определяется произведением квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.
Этот закон получил название закона Джоуля—Ленца:

где Q — количество теплоты, выделяемой проводником с током; I — сила тока в проводнике; R — сопротивление проводника; t — время прохождения тока.

При параллельном соединении проводников напряжения на них однаковы и количество теплоты удобно определять по формуле:

Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, которая передаётся окружающей среде, равно работе электрического тока:

Потребители электрического тока

До середины XIX в. для освещения использовались факелы, свечи, керосиновые лампы и газовые горелки. И только в 1878 г. некоторые улицы и площади Парижа начали освещать электрическими свечами — лампами с электрической дугой (рис. 90, а). Электрическую свечу создал российский изобретатель Павел Яблочков, поэтому её называют «свечой Яблочкова».

В 1870 г. другой российский электротехник Александр Лодыгин сконструировал электрическую лампу накаливания. Лампа Лодыгина состояла из стеклянного баллона, в котором размещался тонкий угольный стержень, закреплённый между двумя медными проводниками (рис. 90, б). Угольный стержень при работе лампы раскалялся и становился источником света, но быстро перегорал (за 30—40 мин). Когда А. Лодыгин откачал из баллона воздух, то время работы пампы увеличилось.

Рис. 90

В 1879 г. американский изобретатель Томас Эдисон изобрёл способ получения тонких угольных нитей, используя их в конструкции электрической лампы (рис. 91). Он также предложил удобный способ включения лампы в электросеть с помощью винтового цоколя и патрона. Тем самым Т. Эдисон ускорил распространение электрического освещения.

В начале XX в. создают более экономичные лампы с металлической зигзагообразной нитью (рис. 92).
Один из недостатков этих электроламп — испарение материала нити при её накаливании, поэтому время работы ламп сокращалось. Кроме того, материал, испаряясь, осаждался на стенках стеклянного баллона и затемнял его.

В 1906 г. А. Лодыгин конструирует лампу с нитью из вольфрама. Вольфрам — тугоплавкий металл, он плавится при температуре 3 380 0 C. Чтобы уменьшить испарение вольфрама, баллон лампы начали наполнять инертными газами — аргоном (с примесью азота), криптоном.

Рис. 91

Рис. 92

Для уменьшения тепловых потерь вольфрамовую нить в лампе делают в виде спирали (рис. 93). На рисунке 94 показаны современные лампы накаливания.

Рис. 94

Для освещения в быту и часто на производстве применяют электрические лампы накаливания, рассчитанные на напряжение 220 В, мощностью от 15 до 150—200 Вт; для освещения железнодорожных вагонов используют лампы, рассчитанные на напряжение 50 В, автомобилей — 12 и 6 В, в карманных фонариках — 6,3; 3,5; 2,5 и 1 В. Для специальных потребностей изготовляют лампы накаливания большой мощности. На рисунке 95 вы видите лампу, мощность которой 500 Вт. Лампы такой большой мощности охлаждают специальными вентиляторами.

Время работы электрической лампы накаливания составляет 1 000 ч. В значительной степени это зависит от напряжения, которое подаётся на лампу. Например, если на лампу, рассчитанную на 220 В, подавать напряжение 222 В, то время её работы сократится на 130 ч.

Кроме ламп накаливания человек использует газоразрядные лампы дневного света (их также называют люминесцентными). Эти лампы представляют собой длинную (от 10 до 120 см) стеклянную запаянную трубку (рис. 96). Воздух из трубки выкачивают, вводят каплю ртути и немного газа — аргона, криптона, неона и т. д. Внутри поверхность прозрачного стекла покрывают веществом, светящимся под действием ультрафиолетового излучения, которое сопровождает электрический разряд в газовой смеси. Подбирая состав этого вещества, можно получить свет любого цвета. При свечении ламп дневного света температура в них не превышает 50 °C.

Рис. 93

Рис. 95

Рис. 96

Лампы дневного света экономичнее ламп накаливания в 5—7 раз, а продолжительность их работы в 2—3 раза больше. Тепловое действие тока используют в различных электрона гревательных приборах и установках. В быту широко применяют электрические плиты, утюги, чайники, кипятильники, водонагреватели и электрорадиаторы (рис. 97), в промышленности выплавляют специальные сорта стали и другие металлы, сваривают их (рис. 98), а в сельском хозяйстве обогревают теплицы, инкубаторы, сушат зерно и т. д.

Рис. 97

Рис. 98

Основной частью нагревательного электрического прибора является нагревательный элемент. Это проводник с большим сопротивлением, способный выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высоких температур (1000— 1200 0 C).

Для изготовления нагревательных элементов применяют преимущественно сплав никеля, железа, хрома и марганца — нихром. Благодаря большому сопротивлению нихрома из него делают очень удобные и компактные нагревательные элементы. В нагревательном элементе проводник в виде провода, ленты или спирали наматывают на каркас либо прикрепляют к арматуре из жаропрочного материала: слюды, керамики. В электрическом утюге (рис. 99) нагревательный элемент (нихромовая лента или спираль) нагревает нижнюю часть (подошву) утюга.

Рис. 99

Пример №11

Амперметр показывает силу тока в цепи 15 А, вольтметр — напряжение на участке 24 В. Какую работу выполняет электрический ток за 20 мин?

Ответ: электрический ток выполнил работу А = 432 кДж.

Пример №12

Какую мощность должен иметь электрический двигатель, чтобы за 20 мин выполнить работу 100 кДж?

Ответ: мощность электрического двигателя P = 100 Вт.

Пример №13

Две электрические лампы мощностью 60 Вт и 100 Вт включены в сеть 220 В параллельно. Какая из них светит ярче?
Ответ: лампа мощностью 100 Вт.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Мы уже знаем закономерности прохождения электрического тока в металлах и как велико практическое значение этого явления. А существуют ли проводники электричества из неметаллов?

Далее изучая явления электрического тока в разных средах, убедимся, что кроме металлов он может существовать в жидкостях, газах и даже вакууме. В этих случаях будем рассматривать замкнутую цепь, в которой определённый участок проводника состоит из вещества в жидком или газообразном состоянии, либо является вакуумным промежутком. Проводники, подводящие напряжение (ток) к этому участку, называют электродами. Электрод, соединённый с положительным полюсом источника тока, называют анодом, а с отрицательным — катодом. При прохождении тока к аноду притягиваются свободные электроны и отрицательные ноны (анионы), а к катоду — положительные ионы (катионы).

Для существования электрического тока в веществе, помещённом в электрическое поле, необходимым является наличие свободных электрических зарядов, которые в веществе могут перемещаться под действием электрического поля на расстояния, ограниченные только размерами образца. В металлических проводниках носителями тока являются свободные электроны, а ионы металла жёстко связаны в узлах кристаллической решётки и могут осуществлять лишь колебательные движения.

В подобном связанном состоянии находятся ионы в ионных кристаллах, например в поваренной соли (NaCl). Электроны, которые отдают атомы металла (Na+), образуют отрицательные ионы галогена (Cl ), в результате возникает химическая связь. Поскольку свободных носителей электричества в ионных кристаллах нет, то при невысоких температурах они являются хорошими изоляторами. Если попытаться образовать электрическую цепь, погрузив в колбу с кристаллами сухой поваренной соли два проводника, присоединённых последовательно с микроамперметром к источнику тока, то никакого тока не зарегистрируем. При расплавливании кристаллов ионы приобретают подвижность, и поваренная соль становится проводником тока. Расплавы солей и других соединений проводят ток. Проводниками являются также водные и другие растворы солей кислот и щелочей.

Дистиллированная вода — прекрасный изолятор, поскольку не содержит свободных электрических зарядов.

Вещества, водные растворы или расплавы которых проводят ‘ электрический ток, называют электролитами.

Опыт. Соберём электрическую цепь (рис. 47) нальём в банку дистиллированную воду. Лампа не светится; амперметр показывает отсутствие электрического тока в цепи.

Но если растворить в воде какую-либо соль, кристаллы которой имеют ионную структуру, например поваренную соль (NaCl) или медный купорос (CuSO4), то в цепи возникнет ток, и лампа будет светится.
Молекула воды полярна, её можно представить как объект удлинённой формы, на концах которого сосредоточены электрические заряды противоположных знаков. Поэтому электрическое поле молекул воды способствует распаду ионной кристаллической решётки на свободные ионы (рис. 100, а). Кристаллическая решётка разрушается также при плавлении солей, в результате образуется жидкость, состоящая из свободных ионов.

Расщепление электролита на ионы в водном растворе или расплаве называют электролитической диссоциацией.

Типичные электролиты — это соли, кислоты и щёлочи, многие органические соединения.

Что произойдёт, если в растворе электролита создать электрическое поле (рис. 100, б)? Положительные ионы (катионы) начнут перемещаться к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы (анионы) — к положительному электроду (аноду). В цепи возникает электрический ток, обусловленный направленным движением ионов обоих знаков.

Рис. 100

Процесс выделения вещества на электродах при протекании электрического тока в растворах или расплавах электролитов называют электролизом.

В 1833—1834 гг. Майкл Фарадей опытным путём установил количественные соотношения для описания явления электролиза. Первый закон Фарадея для электролиза позволяет рассчитать массу вещества, выделившегося на электроде.

Масса вещества, выделившегося на электроде при электролизе, прямо пропорциональна силе тока и времени его прохождения.

где m — масса выделившегося на электроде вещества; k — коэффициент пропорциональности — электрохимический эквивалент данного вещества; I — сила тока в цепи; t — время прохождения тока.

Из первого закона Фарадея можно экспериментально определить значение электрохимического эквивалента данного вещества.

Электрохимический эквивалент определяется отношением массы вещества, выделившегося на электроде при электролизе, к электрическому заряду, прошедшему через электролит.

Единица электрохимического эквивалента в СИ — один килограмм на кулон ().

Электролиз широко применяется в промышленности. Используют электролиз (гальваностегию) для покрытия металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование).

Пропуская электрический ток через расплавы некоторых солей, можно выделять металлы в чистом виде. Так получают алюминий, рафинированную (сверхчистую) медь и другие металлы.

Посредством электролиза очищают металлы от примесей, например неочищенную медь, добытую из руды. Её отливают в форме толстых листов, которые потом помещают в ванну как аноды. При этом медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, осаждаются, а на катоде остаётся чистая медь.

В 1836 г. Б. Якоби предложил процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластику) и применил его для изготовления полых фигур, украсивших Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге.

Электрический ток в полупроводниках

Изучая электрические явления, мы в основном пользовались материалами и приборами, изготовленными из веществ, которые были либо изоляторами (стекло, бумага, воздух, пластмасса и др.), либо проводниками (медь, алюминий, сталь, уголь, электролиты и др.). Однако большинство из известных веществ по их электрическим свойствам нельзя отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам. Этот обширный класс веществ, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками, называют полупроводниками.

К полупроводникам относятся 12 химических элементов (В, С, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, S, Se, Те, I), соединения элементов III и V групп (InSb, GaAs и др.), соединения элементов II и VI групп (CdS, ZnO и др.), ряд других соединений, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в науке и технике имеют полупроводники германий (Ge) и кремний (Si).
Чем полупроводники отличаются от проводников?

Способность любого вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называют электрической проводимостью, электропроводностью, или просто проводимостью. Тип проводимости обусловлен видом носителей тока. Металлы имеют электронную проводимость. В электролитах носители тока — свободные положительные и отрицательные ионы, поэтому они имеют ионную проводимость. Чем меньше электрическое сопротивление проводника, тем больше его проводимость, и наоборот. Электрическое сопротивление металлов с повышением температуры возрастает прямо пропорционально (см. рис. 82 на с. 68).

По результатам научных исследований, полупроводники обладают такими основными свойствами.

Рассмотрим подробнее свойства полупроводников.

Опыт. Включаем в электрическую цепь полупроводниковый элемент (рис. 101). При его нагревании стрелка гальванометра показывает возрастание силы тока в цепи. Следовательно, сопротивление полупроводника, а значит, и удельное сопротивление, уменьшаются с повышением его температуры.

Рис. 101

На рисунке 102 изображён график зависимости сопротивления полупроводникового элемента от его температуры. Видим, что сопротивление полупроводника резко уменьшается с повышением температуры.

Рис. 102

Если нагревание полупроводника прекратить, то стрелка гальванометра вернётся в прежнее положение. Полупроводник охлаждается, его сопротивление возрастает.

Электрическое сопротивление полупроводников зависит также от степени их освещения. На рис. 103, а полупроводниковый фотоприёмник закрыт заслонкой, ток в цепи очень мал. При освещении полупроводника (рис. 103, б) сила тока в цепи заметно возрастает. Это говорит об уменьшении сопротивления полупроводника под действием света.

Рис. 103

Зависимость сопротивления полупроводников от освещения и нагревания связана с внутренним строением этих материалов.

Один из типичных полупроводников — германий с порядковым номером 32. Его четыре электронные оболочки имеют 32 электрона. На первой оболочке находятся 2, на второй — 8, на третьей — 18, на четвёртой — 4 электрона (рис. 104, а). Электроны трёх внутренних оболочек не участвуют в химических реакциях. Электроны внешней оболочки слабо связаны с ядром атома. Их называют внешними, или валентными электронами, поскольку они определяют валентность данного элемента — способность его атомов вступать в химическую связь с определённым количеством других атомов. Валентность германия, атом которого имеет на внешней оболочке 4 электрона, равна четырём.

Рис. 104

При сближении двух атомов их валентные электроны вследствие слабой связи со своими ядрами легко взаимодействуют, образуя устойчивую химическую связь, которую называют ковалентной.

В твёрдом состоянии атомы германия расположены в узлах кристаллической решётки. У каждого атома есть четыре равноудалённых соседа, с которыми его объединяют парноэлектронные (ковалентные) связи. На рис. 104, б изображена условная плоская схема структуры связей в кристалле германия (аналогичная схема у кремния, который также находится в IV группе и обладает подобными химическими и физическими свойствами). При низких температурах все валентные электроны атомов заняты в этих связях и не являются свободными. За неимением свободных электронов полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. Для того чтобы полупроводник проводил ток, надо разорвать парноэлектронные связи, то есть освободить электроны.

При нагревании либо освещении кристалла некоторые электроны получают избыточную энергию и становятся свободными. Чем больше нагревается или освещается полупроводник, тем больше в нём появляется свободных электронов и тем меньше его электрическое сопротивление. Освободившийся электрон покидает своё место в системе связей между атомами — появляется вакансия — незаполненная электронная связь, которую называют дыркой. Количество таких дырок тем больше, чем больше электронов освобождается в кристалле при нагревании или освещения.

Дырка ведёт себя как положительный заряд. Дело в том, что недостаток отрицательного заряда в системе электронной связи равносилен наличию в этом месте положительного заряда. Заряд дырки равен по значению заряду электрона. Дырка может захватывать электрон от соседней связи, в результате там появляется новая дырка, а первичная — исчезает. Это эквивалентно перемещению дырки в пространстве, поэтому она может перемещаться в кристалле как свободный электрон.

Свободные электроны и дырки в кристалле полупроводника находятся в состоянии хаотического теплового движения, но характер их движения существенно изменится, если к кристаллу приложить напряжение. Электрическое поле упорядочит движение как свободных электронов, так и дырок. Положительные дырки под действием электрического поля перемещаются к отрицательному полюсу источника — катоду, а свободные электроны к положительному полюсу — аноду. В кристалле полупроводника возникает электрический ток, обусловленный движением носителей двух типов. Говорят, что в полупроводнике имеются дырочная и электронная проводимости.

Проводимость химически чистых полупроводников, возникающая при их нагревании или освещении, называется собственной проводимостью.

Собственная проводимость полупроводников при комнатной температуре небольшая. Оказывается, чтобы значительно увеличить электрическую проводимость полупроводника (то есть уменьшить его электрическое сопротивление), в чистый полупроводник необходимо внести специальные примеси. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием примесных атомов, называют примесной проводимостью. Различают электронную примесную проводимость и дырочную примесную проводимость.

Электронная примесная проводимость возникает при замещении некоторых атомов германия или кремния атомами другого вещества с пятью валентными электронами, например мышьяка (As) или сурьмы (Sb). Тогда четыре электрона сурьмы обеспечивают ковалентные связи с соседними атомами, а пятый электрон, слабо связанный с атомом примеси, становится свободным. В веществе объёмом 1 см 3 содержится до 10 22 атомов. Замещение одного атома германия из миллиона на атом сурьмы или мышьяка приводит к тому, что в каждом кубическом сантиметре полупроводника появляются почти 10 16 свободных электронов. Именно эта способность даёт возможность полупроводнику проводить электрический ток. Примеси, которые легко отдают электроны и, следовательно, увеличивают количество свободных носителей, называют донорными примесями, пли донорами.

Итак, за счёт вкрапления в германий или кремний атомов пятивалентного элемента получаем полупроводники с примесной электронной проводимостью (рис. 105, а). Их называют полупроводниками n-типа (от латинского слова negatiυus — отрицательный).

Рис. 105

Дырочная примесная проводимость возникает, если в полупроводниковом кристалле некоторые атомы замещаются другими атомами, имеющими три валентных электрона, например атомами индия (In). В этом случае для образования ковалентной связи с соседними атомами примесному атому необходим ещё один электрон (рис. 105, б). Поэтому в том месте, куда попадает атом примеси, образуется дырка (дефицит электрона). Если заменить один из миллиона атомов основного вещества атомом трёхвалентной примеси, то в каждом кубическом сантиметре полупроводника образуются до 10 16 дырок.

Примеси этого типа называют акцепторными (приёмными), или акцепторами. Такой полупроводниковый кристалл обеспечивает электрический ток благодаря дрейфу дырок, которые переносят положительный электрический заряд.

Итак, при вкраплении в германий или кремний атомов трёхвалентного вещества получаем полупроводники с примесной дырочной проводимостью. Их называют полупроводниками р-типа (от латинского positivus — положительный).

Электрическая проводимость полупроводника возрастает при разрушении связей и образовании свободных электронов и дырок за счёт энергии света, падающего на полупроводник. Это явление называют внутренним фотоэлектрическим эффектом; используют в полупроводниковых приборах — фоторезисторах. C помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т. д.

Позднее вы будете изучать устройство и работу различных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, электронных интегральных схем. Именно благодаря им электронная аппаратура стала малогабаритной, экономичной и надёжной: первые компьютеры размещались в огромных залах, а современные — помещаются на ладони, музыкальный плейер не стоит на столе, а висит на шнурке. Полупроводниковый лазер даёт возможность записать данные на CD- или DVD-дисках, а флеш-накопитель — переносить и хранить гигантские объёмы информации.

Большой вклад в развитие физики полупроводников, внесли украинские учёные К. Д. Товстюк (1922-2004) и В. Е. Лошкарёв (1903-1974), создавший научную школу специалистов по физике полупроводников.

Электрический ток в газах

Газы являются хорошими изоляторами, поскольку в обычных условиях — при низких температурах и отсутствии внешнего облучения (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного) — они состоят из нейтральных атомов или молекул. У них нет свободных электрических зарядов, упорядоченное перемещение которых создаёт электрический ток. Но при определённых условиях можно получить электрический ток и в газах.

Опыт 1 Зарядим (например, от электрофорной машины) алюминиевые диски, соединённые проводниками с выводами электрометра (рис. 106, а). Видим, что отклонение стрелки электрометра остаётся постоянным, поскольку электрическая проводимость воздуха в условиях комнатной температуры и сухого воздуха очень мала, и пластины практически не разряжаются.

Внесём в пространство между дисками пламя спички или свечи (рис. 106, б). Наблюдаем быстрый разряд электрометра. Следовательно, воздух вследствие значительного повышения температуры уже обладает проводимостью и замыкает цепь, то есть в нагретом газе проходит электрический ток.

Рис. 106

Процесс прохождения электрического тока в газах называют газовым разрядом.

При нагревании или излучении часть атомов газа ионизируется — распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе образуются также отрицательно заряженные ионы.

Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что некоторые молекулы перемещаются так быстро, что часть из них при столкновении распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура газа, тем больше образуется ионов. В нашем опыте пламя свечи исполняет роль ионизатора, то есть источника ионов.

Явление, вызывающее ионизацию газа и дальнейшее развитие газового разряда, называют ионизатором.

Как ионизатор действуют рентгеновские лучи, а также радиоактивное излучение (его вы будете изучать позднее). При нормальных условиях окружающий воздух всегда в определённой степени ионизирован под воздействием солнечных лучей и космического излучения (поток быстрых заряженных частиц, поступающих на Землю из глубин Космоса).

Механизмы проводимости газов, растворов и расплавов электролитов аналогичны. Различие в том, что в газах отрицательный заряд переносится преимущественно не отрицательными ионами, а свободными электронами.

Таким образом, в газах сочетаются электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, которая аналогична проводимости водных растворов и расплавов электролитов.

Если мы прекращаем нагревать либо облучать газ, то он снова становится диэлектриком. Ток прекращается тогда, когда все ионы и электроны достигают электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона снова образуется нейтральный атом. Этот процесс называют рекомбинацией заряженных частиц.

Если же внешнего электрического поля нет, то заряженные частицы исчезают только при рекомбинации, и газ становится диэлектриком.

В газах разряд можно наблюдать без нагревания и облучения. Иногда он может поддерживать себя самостоятельно. При каких условиях это возможно?

Опыт 2 Возьмём запаянную и наполненную воздухом стеклянную трубку с двумя металлическими электродами, к которым прикладываем напряжение, собрав цепь, изображённую на рисунке 107. Предположим, что на газ в трубке действует какой-либо ионизатор. Если напряжение между электродами трубки малое, то положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — к положительному. В результате в трубке возникает электрический ток, то есть происходит газовый разряд.

Поскольку в пространстве между электродами одновременно происходит процесс рекомбинации, то не все образованные электроны и ионы достигают электродов трубки.

C увеличением напряжения между электродами сила тока в цепи возрастает. Потом наступает момент, когда сила тока не изменяется. Ток достигает насыщения (рис. 108). Если действие ионизатора (нагревание, облучение) прекращается, то прекращается и разряд, поскольку другие источники ионов отсутствуют. Такой разряд называют несамостоятельным разрядом.

А что же происходит с разрядом в газе, если увеличивать напряжение на электродах трубки?

Опыт показывает, что в газе с увеличением напряжения на электродах трубки сила тока с определённого значения снова увеличивается (рис. 109). Причина в том, что в газе дополнительно происходит ионизация электронным ударом при столкновении электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами газа. При этом образуется значительно больше ионов, чем в результате действия ионизатора. Сила тока возрастает в тысячи раз, а количество ионов может стать таким, что отпадает потребность во внешнем ионизаторе.

Рис. 107

Рис. 108

Рис. 109

Поскольку такой разряд не требует для своего поддержания внешнего ионизатора, его называют самостоятельным разрядом.

В зависимости от свойств и состояния газа, характера и размещения электродов, приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд наблюдается при низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) и напряжении между электродами в несколько сотен вольт.

Тлеющий разряд используют в рекламных трубках (рис. 110). Если трубка наполнена неоном, то возникает красное свечение, если аргоном — синевато-зелёное. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути.

Рис. 110

Электрическую дугу «зажигают» так. Сначала сближают и вводят в контакт угольные электроды, замыкая цепь. В результате тепловою действия тока, протекающего в точечных контактах с большим электрическим сопротивлением, концы электродов накаляются до свечения. C поверхности электродов при этом с огромной скоростью вылетают электроны и при столкновении ионизируют газ в прилегающем пространстве (о явлении термоэлектронной эмиссии читайте на с. 103). Если теперь развести электроды в разные стороны, то электрический ток в цепи не прекращается, он проходит через ионизированный газ, что сопровождается его накаливанием и ярким свечением.

Сила тока в малой дуге достигает нескольких ампер, а в мощных дугах — нескольких сотен ампер при напряжении около 50 В.

Во время горения дуги воздух в промежутке между угольными электродами нагревается до нескольких тысяч градусов и, поднимаясь вверх в результате конвекции, изгибает светящийся столб в виде дуги, чем и объясняется название этого вида газового разряда (рис. 111).

Рис. 111

Дуговой разряд — мощный источник света. Его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. В металлургии применяют электропечи, в которых источником тепла является дуговой разряд. Используют его также для сварки металлов.

При коронном разряде светящаяся область напоминает корону, он образуется при атмосферном давлении вблизи острых частей проводника с большим электрическим зарядом.

Газ в этом случае ионизируют ударом электроны, ускоренные сильным электрическим полем, возникающим возле острых заряженных проводников.

Перед грозой или во время грозы часто на вершинах и острых углах высоких предметов возникает кистеобразное свечение, например на корабельных мачтах (рис. 112). Издавна это свечение называют огнями святого Эльма, иногда оно наблюдается даже на кончиках ружейных штыков.
Коронный разряд может возникнуть на проводах высоковольтных линий, что приводит к потерям электроэнергии. Чем выше напряжение в линии, тем толще провод следует использовать для предотвращения коронного разряда.

Искровой разряд возникает при высоком напряжении между электродами в воздухе (рис. 113, а) и имеет вид пучка ярких зигзагообразных полос, ответвляющихся от тонкого канала.

При искровом разряде газ ионизируется ударом ускоренных сильным электрическим полем электронов, возникающих в некоторых местах между электродами вследствие природной ионизации воздуха.
C помощью искрового разряда можно обрабатывать детали из тугоплавких металлов, поскольку большая энергия этого разряда выделяется в небольшом объёме за очень малый промежуток времени. При отсутстивии теплообмена с окружающей средой в месте разряда температура металла резко повышается, происходит его испарение.

Примером мощного искрового разряда является молния (рис. 113, б). Изучением этого явления природы занимались многие учёные, в частности Б. Франклин, М. В. Ломоносов, Г. В. Рихман. В 1753 г., исследуя атмосферное электричество, Г. В. Рихман погиб от удара молнии.

Рис. 112

Рис. 113

Многолетними исследованиями установлено, что при движения воздуха за счёт конвекции воздушные потоки и облака в результате столкновений электризуются. При этом часть облака (например, верхняя) электризуется положительно, а часть — отрицательно.

Напряжение между двумя облаками или между облаком и Землёй достигает десятков миллионов вольт. В результате между облаками или между облаком и Землёй возникает гигантская искра — молния (рис. 114). Длина молнии достигает нескольких километров, а диаметр её канала иногда превышает 6 м. Сила тока в канале молнии огромная: от 1—2 до 200 кА. Продолжительность разряда небольшая — тысячные доли секунды. Поэтому общий заряд, протекающий при одной вспышке молнии, не превышает десятков или сотен кулонов.

Рис. 114

Для защиты сооружений (зданий, опор линий электропередачи и т. д.) поблизости устанавливают мачту с заострённым металлическим стержнем, который надёжно соединяют толстым проводом с закопанным глубоко в землю металлическим предметом, то есть заземляют (рис. 115). Это устройство называют молниеотводом (часто — громоотводом).

Рис. 115

Поясним упрощённо принцип действия молниеотвода. Грозовое облако своим электрическим полем наводит в молниеотводе электрический заряд, противоположный по знаку заряду облака. Этот заряд создаёт около острия молниеотвода сильное электрическое поле, в котором начинается «тихий» коронный разряд, забирающий на себя энергию взаимодействия наведённого облаком электрического заряда, чем уменьшает вероятность развития молнии. Размеры территории, защищённой молниеотводом на поверхности Земли, определяются высотой молниеотвода.

Электрический ток в вакууме. Если из стеклянной трубки в опыте 2 на с. 99 (см. рис. 107) с помощью специального насоса откачать воздух, то в ней образуется вакуум, то есть безвоздушное пространство. При этом измерительный прибор показывает, что в цепи трубки тока нет. Этот факт можно объяснить: хотя в промежутке между электродами существует электрическое поле, но свободные носители электрического заряда отсутствуют, поэтому вакуумный промежуток является хорошим изолятором.

И все же в такой вакуумной трубке возможен электрический ток. Если рядом с катодом трубки поместить миниатюрный электронагреватель (нить накала), который нагреет катод до температуры видимого свечения (900—1500 °C), то с его поверхности начнут «испаряться» электроны, образующие электронное «облако», то есть появляются свободные носители электричества. Под действием электрического поля электроны будут перемещаться к аноду и замкнут цепь — измерительный прибор покажет наличие тока. Явление «испарения электронов», названное термоэлектронной эмиссией, в 1883 г. впервые наблюдал Т. Эдисон (эффект Эдисона).

Описанный вакуумный прибор имеет важную особенность — одностороннюю проводимость. Если полярность источника тока, соединённого с трубкой, поменять на противоположную (катод соединить с положительным полюсом источника, а анод — с отрицательным), то ток в цепи исчезнет. В этом случае положительный катод «не отпускает» отрицательные электроны, а отрицательный анод, в свою очередь, отталкивает их назад, то есть цепь не замыкается. Позднее на основе этого свойства были созданы выпрямители переменных (периодически изменяющих направление) токов, а также электронно-лучевые трубки, которые широко применяли в телевизорах и мониторах компьютеров.

Кстати:

Безопасность человека во время работы c электрическими приборами и устройствами

Электрические цепи рассчитывают на определенную силу тока. Если сила тока в цепи превышает допустимую, то провода могут перегреться, а их изоляция — загореться.

Причины значительного увеличения силы тока в цепи — одновременное включение нескольких мощных потребителей тока (например, электроплитки, электроутюга, стиральной машины, водонагревателя) либо короткое замыкание.

Опыт. Собираем цепь из источника тока напряжением 36 В, электрической лампы, ключа и отрезка тонкого провода. Замыкаем ключ — лампа светится. Теперь к зажимам лампы присоединим перемычку и снова замыкаем цепь. Лампа гаснет, а тонкий проводник раскаляется до свечения (рис. 116) и может перегореть со вспышкой.

Рис. 116

Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Короткое замыкание может возникнуть при ремонте проводки под током (рис. 117) или при случайном касании оголённых проводов. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи резко возрастает сила тока, при этом провода могут загораться. Чтобы предупредить это, в электросеть обязательно включают предохранители.
Каково назначение и устройство предохранителей?

Рис. 117

Назначение предохранителей — сразу же отключить линию, если сила тока вдруг превысит допустимую норму.

Рис. 118

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:

В СИ она измеряется в вольтах (В).
На практике используются кратные и долевые единицы напряжения:

Сопротивление как физическая величина является характеристикой электрических свойств проводника и зависит от геометрических и физических его параметров. Природа электрического сопротивления объясняется взаимодействием движущихся носителей заряда с другими структурными элементами проводника, в частности с ионами кристаллической решетки.
Формула закона Ома позволяет рассчитать сопротивление проводника:

Если при напряжении 1 B в проводнике проходит ток 1 А, то сопротивление этого проводника составляет 1 Ом.

Сопротивление проводника также можно рассчитать, зная его вещество и геометрические размеры:

Работа и мощность тока

Энергия электрического тока в цепи может превращаться в другие виды энергии: тепловую, химическую, механическую, световую и т. п. Любое это превращение происходит при выполнении работы.

Работа, выполняемая полем при перенесении частиц с общим зарядом ∆Q по участку цепи, определяется по формуле:

Поскольку ΔQ = IΔt, то для определения работы можно применить формулу:

Работа электрического тока, как и любая другая работа, измеряется в джоулях (Дж). Таким образом

1 Дж = 1 В • 1 А • 1 с = 1 В • А • с.

Для характеристики способности выполнять работу применяют понятие «мощность». Мощность равна работе, выполняемой за единицу времени:

В СИ единицей мощности является ватт (Вт).

Для электрического тока 1 Bт=1 B ∙ 1 A = 1 B ∙ A.

Для измерения мощности электрического тока применяют также кратные и долевые единицы:

Одним из наиболее применяемых на практике действий тока является его тепловое действие. На нем основаны различные тепловые электрические приборы — электрические утюги, водонагреватели, электрочайники, обогреватели и т. п. Количество теплоты, выделяемое проводником при прохождении электрического тока за определенное время, определяется законом Джоуля-Ленца:

Электродвижущая сила источника тока

Ранее мы установили, что для возникновения электрического тока в цепи необходимо создать па концах проводника разность потенциалов и поддерживать ее длительное время.

Это условие может быть выполнено, если в электрической цепи будет источник тока, который за счет своих внутренних взаимодействий будет выполнять работу по разделению электрических зарядов. Эти взаимодействия получили название сторонних сил, поскольку имеют неэлектростатическое происхождение.

Сторонние силы выполняют работу по разделению электрических зарядов в электрической цепи. Они имеют неэлектростатическое происхождение.

Так, в гальванических элементах эта энергия возникает вследствие химических реакций между разнородными веществами. В солнечных батареях заряды разделяются вследствие взаимодействия фотонов с атомами вещества. В электрофорной машине разделение зарядов происходит при выполнении механической работы при вращении дисков.

Электродвижущей силой источника называют физическую величину, которая характеризует способность сторонних сил создавать и поддерживать разность потенциалов в цепи. Она равна отношению работы сторонних сил A_стор к значению разделенных зарядов ∆Q.

Электродвижущая сила является характеристикой источника тока и не зависит от того, какую внешнюю нагрузку присоединяют к его полюсам.

Как и напряжение, она измеряется в вольтах (В).
Рассмотрим более детально роль источника токи в электрической цепи (рис. 1.50).

Рис. 1.50. Сомкнутая электрическая цепь

Во внешней цепи положительные носители заряда будут двигаться от полюса А к полюсу В. Сторонние силы для поддержания постоянной разности потенциалов внутри источника будут разделять электрические заряды за счет работы сил неэлектростатический природы. Таким образом, в источнике тока будет проходить ток, сила которого будет такой же, как и но внешней цепи. Поэтому источник тока будет иметь определенное сопротивление, определяющее силу тока в цепи. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением, источника тока.

Учитывая наличие источника тока, в цепи можно выделить внутреннюю и внешнюю часть. Общее сопротивление цепи будет равно сумме сопротивлений внешней и внутренней частей.

Правила безопасного пользования электрическими приборами

Жизнь современного человека сильно связана с использованием электрических приборов и установок. Тело человека является хорошим проводником электрического тока, который может вызвать в человеческом теле опасные и необратимые изменения. Человек, подвергшийся действию электрического тока, получает не только значительные ожоги, но и нарушения в работе нервной системы. Даже при сравнительно небольшом напряжении человек может получить серьезные поражения организма, если он находится, например, во влажном помещении, на влажной земле, касается проводов обеими руками и т. п.

Чтобы предотвратить поражение электрическим током, необходимо придерживаться определенных правил.

Электрический ток в различных средах

Электрический ток в металлах

Решающим в исследованиях природы электрического тока в металлах был опыт, осуществленный в 1916 г. американскими физиками Р. Толмеиом и Т. Стюартом. В опыте использовалась катушка с большим количеством витков медного провода, которая могла вращаться вокруг своей продольной оси. Выводы обмотки катушки через подвижные
контакты соединялись с чувствительным гальванометром (рис. 1.57).

Рис. 157. Схема опыта Толмена и Стюарта

В кристаллической структуре металла электроны находятся в свободном состоянии, совершая только хаотическое тепловое движение. Если появляется электрическое поле, то электроны начинают смещаться в направлении силовых линий поля, создавая электрический ток (рис. 1.58).

Pиc. 158. Движение электронов в металле

При движении между узлами кристаллической решетки металла электроны взаимодействуют с ионами и отдают им часть энергии, полученной под действием электрического поля. Полученная ионами энергия увеличивает амплитуду их колебаний, что проявляется как тепловое действие электрического тока. Отдавая часть энергии ионам, иле «троны уменьшают скорость своего упорядоченного движения, что служит ни видом утверждать, что существует сопротивление проводника. Если проводник нагревать от внешнего источника тепла, то увеличивается амплитуда тепловых колебании ионов и степень их взаимодействия с электронами. Поэтому сопротивление металлического проводника при повышении температуры увеличивается. Типичным свойством металлических проводников является то, что в большом интервале температур изменение их сопротивления происходит пропорционально изменению температуры.

Исследованиями голландского физика Камерлинга-Онесса установлено, что сопротивление металлического проводника почти исчезает при температуре, близкой к абсолютному нулю. Исследуя зависимость электрических свойств ртути от температуры, он заметил, что при температуре 4,12 К не сопротивление практически равно нулю. Состояние проводника, в котором он не имеет сопротивления, назвали сверхпроводимостью. Возбужденный в таком проводнике электрический ток может существовать довольно длительное время.

В состоянии сверхпроводимости проводники практически полностью теряют электрическое сопротивление.

Сверхпроводимость интересует ученых и инженеров, которые видят в ней средство для создания новых экономичных технологий. В первую очередь это касается передачи без потерь электроэнергии на большие расстояния, создания сверхмощных электромагнитов для научных исследований, разработки принципиально новых сверхмощных компьютерных систем и т. п.

Электрический ток в вакууме

В вакууме, в котором практически отсутствуют свободные носители электрического заряда, создать электрический ток можно при условии искусственного введения их в ограниченное пространство, в котором существует электрическое поле. Свободные заряженные частицы в вакууме можно получить при нагревании металлических электродов (термоэлектронная эмиссия) или при облучении их электромагнитным излучением (фотоэлектронная эмиссия).

Свободные электроны, появляющиеся при эмиссии, накапливаются возле электрода, из которого они эмитировали, и образуют электронное облачко. Если температура электрода поддерживается постоянной или поток электромагнитного излучения не изменяется, то электроны находятся в динамическом равновесии, при котором количество электронов, вылетающих из электрода, равно количеству электродов, возвращающихся в него.

Ток в вакууме создают свободные электроны эмиссии.

Этим потоком можно управлять с помощью электрического или магнитного полей, что ученые и использовали для создания вакуумных электронных приборов.

Например, при помощи электрического поля поток электронов в вакууме можно сформировать в узкий пучок, управляя которым можно создавать различные изображения на экране электронно-лучевой трубки или дисплея, которые применяются в электронных осциллографах или в некоторых моделях телевизоров (рис. 1.59).

Рис. 159. Электроннолучевая трубка

Электрический ток в жидкостях

Если в стакан с дистиллированной водой опустить два электрода, входящих в электрическую цепь, то тока в цепи не будет. Аналогичный результат получим, если электроды опустим в керосин, спирт или другую чистую жидкость. Это свидетельствует о том, что в таких жидкостях отсутствуют свободные носители электрического заряда и они тока не проводят.

Кел и повторить опыт с водой, влив в нее небольшое количество серной кислоты, то полученный раствор будет иметь свойства проводника (рис. 1.60).

Рис. 1.60. Исследование электрического тока в растворе электролита в воде

В растворах и расплавах электролитов ток образуют положительные и отрицательные ионы.

Какова же природа свободных носителей заряда в растворе кислоты? На уроках химии вы узнали, что при растворении в воде кислот, щелочей или солей (электролитов) происходит электролитическая диссоциация. Сложные молекулы электролита распадаются на положительные и отрицательные ионы, которые при наличии электрического поля будут двигаться вдоль линий напряженности этого поля (рис. 1.61).

Pиc. 1.61. Схема движения ионов в растворе электролита под действием электрического поля

Ток в растворах и расплавах электролитов сопровождается выделением вещества на электродах.

Электрический ток в газах

В обычном состоянии нее газы являются диэлектриками (непроводниками электричества). Известно, что при размыкании электродов выключателя ток в цепи прекращается, хотя между контактами будет существовать разность потенциалов. Это объясняется тем, что все газы в нормальном состоянии имеют нейтральные молекулы, которые не могут образовать направленного потока под действием электрического ноля. Но несмотря на это при определенных условиях и в газах может возникнуть электрический ток.

Например, если взять дне металлические пластины, между которыми находится воздух, и присоединить их через гальванометр к источнику тока (рис. 1.62), то при обычных условиях тока в цепи не будет, поскольку воздух не проводит электричество.

Рис. 1.62. Установка для исследования электропроводности воздуха

Под действием электрического поля заряженные частицы начинают упорядоченно двигаться, образуя электрический ток. Он прекратится, если убрать ионизатор.

Если напряжение между электродами постепенно увеличивать, то в определенный момент энергия носителей зарядов становится достаточной, чтобы, сталкиваясь с нейтральными молекулами, образовывать новые ионы и свободные электроны. Процесс приобретает лавинообразный характер, когда количество свободных носителей заряда резко увеличивается. В этот момент в цепи резко увеличивается сила тока, а также температура газа, и он начинает излучать свет.

Электрический разряд в газе возможен и без наличия ионизатора. Ведь в воздухе всегда находятся заряженные частицы, образующиеся под действием космического и радиоактивного излучения, ультрафиолетового излучения Солнца и т. п. При значительной разности потенциалов (большая напряженность электрического поля) они приобретают большую скорость и энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул. В таких условиях возникает самостоятельный разряд.

В природе самостоятельными разрядами являются молния (рис. 1.63), коронный и тлеющий разряды.

Pиc. 1.63. Молния

Среди различных видов электрического разряда особое место занимает электрическая дуга, которую применяют для сварки металлических изделий (рис. 1.64).

Pиc. 1.64. Сварка металла при помощи электрической дуги

Электрическая дуга широко применяется во многих областях техники и производства для сварки (соединения) металлических деталей, для плавки чистых металлов. Всему миру известны достижения ученых Института электросварки им. Е.О. Патона HAH Украины. Благодаря их исследованиям процесс электросварки применяется в различных производствах, включительно с космической отраслью.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник