Куда течет ток и как определить его направление
Содержание
- 1 Природа электрического тока
- 2 Виды токов
- 3 Как определяется направление электротока
- 4 Видео по теме
Чтобы правильно рассчитать параметры конкретной электрической цепи, нужно знать, как определяется направление тока. Это невозможно сделать без понимания природы электрического тока и тех правил, которым он подчиняется.
Природа электрического тока
Атомы состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. У последних заряд отрицательный. Ядро включает в себя частицы, заряженные положительно (протоны), и нейтральные (нейтроны). Обычно атом не имеет заряда, однако если по каким-то причинам электроны покидают орбиту, то он теряет свою нейтральность и становится ионом, заряженным положительно.
Движущиеся электроны создают электрический ток. Он возникает при наличии упорядоченного перемещения зарядов. Сила тока в цепи выражается количеством электронов, переместившихся через фиксированное поперечное сечение проводника за единицу времени. Эта величина обозначается символом «I». Он применяется уже много десятилетий. Такое обозначение является традиционным.
В радиосхемах обычно рассматривается движение зарядов по проводникам или по полупроводникам. Особенностью металлов считается то, что электроны отрываются от атомов относительно легко. Они движутся под действием электрополя, которое образуется благодаря разности потенциалов на клеммах источника электротока. Определить, каково направление электрического тока можно по правилу Ампера.
Виды токов
Сила постоянного тока с течением времени не изменяется. В этом случае после включения заряд перемещается по проводнику с одной и той же скоростью. Поэтому определение направления тока осуществляется по простым правилам.
В электротехнике распространено использование переменного тока. В этом случае речь идёт о его циклическом изменении, которое происходит по синусоидальному закону. При этом электрический ток меняет и направление, и величину.
Например, в нашей сети электропитания ток имеет частоту 50 Гц и соответствует амплитуде изменения напряжения 220 В. Но в различных странах используется бытовая электросеть с другими параметрами. При этом направление силы тока будет всегда меняться циклически.
Иногда дополнительно выделяют пульсирующий ток. Он сохраняет свой знак, но периодически меняет абсолютную величину. Также возможно существование электротока, который носит произвольный характер. В таком случае силу и направление тока предсказать невозможно.
Надо заметить, что в проводниках движение электронов существует всегда. Оно становится направленным под действием электрополя. Однако и при этом движение в значительной степени сохраняет хаотичность. Просто при перемещении электронов возникает преимущественное направление тока. Оно выражено тем сильнее, чем больше прилагаемая разность потенциалов. Определить направление тока в проводнике можно по обычному правилу.
Ток может возникать не только в твёрдых телах, но и в газах или жидкостях. В первом случае атомы привязаны друг к другу, поэтому свободно перемещаться могут только электроны. В газах и жидкостях атомы способны так же свободно двигаться, как и электроны.
Как определяется направление электротока
Чтобы узнать, в каком направлении течет ток, нужно составить электрическую цепь. Простейшая схема предусматривает наличие источника тока, нагрузки (это может быть лампа накаливания) и проводов. Если последние правильно соединить, лампочка загорится.
Фактически наличие тока означает, что электроны перемещаются от отрицательной клеммы батареи через всю цепь к положительной. После попадания внутрь источника тока, благодаря химическим процессам, эти частицы попадут на отрицательную клемму и далее опять пройдут через цепь в определенном ранее направлении.
Физиками принято направление тока условно от отрицательного полюса к положительному. Электроны, переместившиеся к положительному полюсу, начинают вновь двигаться к отрицательному полюсу. Затем они перемещаются по цепи.
Явление электрического тока было открыто до того, как наука смогла его объяснить. В то время не было еще известно о существовании электронов. Поэтому направление движения тока принято случайным образом — от положительной клеммы источника тока к отрицательной. С тех пор в электротехнике сохраняется именно такое правило.
Впервые определение электрического тока дал французский учёный Жан-Мари Ампер. Ученый в своих работах обосновал, какое есть истинное направление электротока. Основанием для его определения послужил довольно простой эксперимент.
Приведённый на рисунке аппарат заправляется водой. В указанных на схеме местах расположены положительная и отрицательная клеммы источника тока. При пропускании электротока часть молекул воды распадается на кислород и водород. Первый выделяется там, где источник имеет положительный потенциал (на аноде), второй — отрицательный (на катоде).
Рассматривая происходящие процессы, Ампер понял, что за направление тока следует считать то движение зарядов, которое идет от кислородного электрода к водородному. Проще говоря, направление тока определяется движением электронов от плюса к минусу. Этот опыт был проведён в первой половине девятнадцатого века.
Теперь известно, что на самом деле за направление электрического тока принимается перемещение электронов, которое противоположно указанному Ампером. Этот факт был установлен в 1897 году. Но чтобы не вносить множество изменений, ученые принимают решение оставить направление от плюса к минусу и в дальнейшем использовать только его.
Нужно подчеркнуть, что указанное противоречие относится лишь к току, проходящему в проводниках. Однако он может существовать в жидкостях и газах. В таких случаях направление движения положительных ионов будет совпадать с тем, которое принимает Ампер.
В большинстве случаев в веществах присутствуют носители зарядов как положительные, так и отрицательные и они могут перемещаться. Их соотношение зависит от конкретного вещества. Например, в проводниках количество перемещающихся электронов намного больше, чем носителей положительных зарядов.
Видео по теме
На этой странице вы узнаете
- Что общего у электрического тока с водой?
- В чем отличие сопротивления от удельного сопротивления?
- Почему нежелательно использовать телефон, подключенный к зарядке?
- Фамилия какого ученого стоит миллион?
«Все, кина не будет. Электричество кончилось». Наверное, никого не оставит равнодушным популярная фраза из широко известного фильма «Джентльмены удачи». Ведь действительно: бесит, когда сидишь за просмотром любимого сериальчика, вдруг — бамс! Вырубили свет, и зарядки ноута, как назло, не хватило. И не выработаешь электричество в домашних условиях, а жаль… Но вот понять, как оно работает — это мы сможем сделать в статье.
Электрический ток
В наше время трудно себе представить жизнь без электричества. Телевизор не посмотреть, телефон не зарядить, чай не попить… Ни один электроприбор в доме не будет работать без электричества. А объявление об отключении электроэнергии, вызывает тихий ужас.
Электричество — это форма энергии, которая существует в виде статических или подвижных электрических зарядов.
Поток. И то и другое представляет собой направленное движение частиц. Из чего состоит вода? Из молекул. Когда эти молекулы движутся в одном направлении, то они образуют поток воды, который течет, например, по трубам.
Так же и электрический ток. Он образуется потоком заряженных частиц, которые движутся по проводам.
Сформулируем определение:
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.
Чтобы электрический ток существовал, необходимо выполнение следующих условий:
- наличие свободных заряженных частиц;
- наличие электрического поля;
- наличие замкнутой электрической цепи.
Основными количественными характеристиками электрического тока являются сила тока и напряжение.
Напряжение
Чтобы внутри цепи существовал электрический ток, цепь должна быть замкнута и между концами участка цепи должно существовать напряжение.
Напряжение — скалярная (не имеющая направления) физическая величина, значение которой равно работе тока на участке цепи, совершаемой при переносе единичного электрического заряда из одной точки в другую.
U — напряжение (В),
A — работа тока на участке цепи (Дж),
q — электрический заряд (Кл).
Единица измерения U — В (Вольт) = (frac{Дж}{Кл})
Электрический ток – результат “труда” множества частиц. Они любят работать – не ленятся перемещаться из одного конца цепи в другой. И чем больше они будут работать, тем большее напряжение получится. Так запоминаем связь напряжения (U) с работой (A).
Услышав слова из известной песни Димы Билана «Это ты, это я, между нами молния, С электрическим разрядом 220 Вольт…» любой физик (и электрик) приобретает новую пару седых волосинок. Такое напряжение очень опасно для человека. Однако, 220 Вольт — это то самое напряжение в наших розетках!
Прибор для измерения напряжения — вольтметр. Он включается в цепь параллельно. Пример подключения представлен на рисунке:
Сила тока
Это еще одна немаловажная характеристика электрического тока.
Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени .
I — сила тока (А),
q — электрический заряд (Кл),
t — время (с).
Единица измерения I — А (ампер) = (frac{Кл}{с}).
Представим, что внутри проводника «бежит» в одном направлении огромное количество заряженных частиц. Так вот, чем больше общий заряд частиц, пробегающих через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше будет значение силы тока. Это поможет вам запомнить зависимость силы тока (I) от электрического заряда (q).
Прибор для измерения силы тока — амперметр. Он включается в цепь последовательно. Пример подключения представлен на рисунке:
Направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.
Давайте разберемся, как можно определить направление тока в цепи на примере.
Задача. На рисунке изображена электрическая цепь с источником тока и сопротивлением R. Определите направление тока в данной цепи (по часовой стрелке/против часовой стрелки).
Решение:
Обратите внимание, «большая» пластина реостата расположена справа (именно она и направляет ток), а «маленькая» слева. Положительно заряженные частицы двигаются от катода к аноду (от положительно заряженной пластинки к отрицательно заряженной), а направление тока всегда совпадает с направлением положительно заряженных частиц. Значит, ток в цепи направлен по часовой стрелке.
Ответ: по часовой стрелке
Электрическое сопротивление
Оно является электрической характеристикой проводника.
Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи.
R — сопротивление (Ом),
p — удельное сопротивление проводника,
l — длина проводника (м),
S — площадь поперечного сечения проводника (мм²).
Единица измерения R — Ом.
Удельное сопротивление проводника (p) можно посмотреть в специальной таблице в справочнике или в интернете. Для каждого материала будет свое значение. Мы приведем для примера лишь фрагмент такой таблицы.
Таблица удельных сопротивлений проводников
| Металл | Удельное сопротивление, Ом * (мм^2)/ м |
| Серебро | 0,0015 |
| Медь | 0,018 |
| Золото | 0,023 |
| Алюминий | 0,029 |
| Вольфрам | 0,055 |
| Железо | 0,098 |
Сопротивление — это внешнее свойство, зависящее от количества присутствующего материала, от геометрических характеристик проводника и от самого материала, из которого сделан проводник.
Удельное сопротивление — это внутреннее свойство проводника, которое не зависит от его размера, а зависит от химического состава вещества и температуры.
Условно можно сказать, что сопротивление — это свойство проводника, а удельное сопротивление — свойство материала.
Получается, что прежде всего на то, каким будет сопротивление, влияют размеры проводника, его форма, материал, из которого он сделан.
Удельное сопротивление проводника зависит также от температуры. Когда температура твердых тел увеличивается, то удельное сопротивление возрастает. А в растворах и расплавах — наоборот, уменьшается. В экзаменационных задачах случаи с изменением удельного сопротивления не рассматриваются, а вот в олимпиадных задачах такое встретить можно.
Давайте поразмышляем: что чему сопротивляется?
Причина электрического сопротивления кроется во взаимодействии зарядов разного знака при протекании тока по проводнику. Это взаимодействие можно сравнить с силой трения, стремящейся остановить движение заряженных частиц.
Чем сильнее взаимодействие свободных электронов с положительными ионами в узлах кристаллической решетки проводника, тем больше сопротивление проводника.
Проводник с определенным постоянным сопротивлением называется резистор.
Вернемся к сравнению электрического тока с водой: как молекулы воды из крана движутся сверху вниз, так и электрический ток имеет определенное направление — от катода к аноду. Электрический заряд условно в нашем примере аналогичен массе воды, а напряжение — напору воды из крана.
Закон Ома
Сила тока, напряжение и сопротивление связаны между собой соотношением, которое называется закон Ома:
I — сила тока (А),
U — напряжение (В),
R — сопротивление (Ом).
Для упрощенного понимания закона Ома можно использовать данный треугольник. Чтобы вспомнить формулу для нахождения той или иной величины, нужно ее закрыть рукой. Если оставшиеся открытыми величины стоят бок о бок, то они перемножаются друг с другом (U=IR). А если одна величина стоит выше другой, то в таком случае мы делим их друг на друга (I=U/R или R=U/I)
Данный закон справедлив для участка цепи, на который не действуют сторонние силы.
Разберем задачу из контрольно-измерительных материалов ЕГЭ (номер 12).
Ниже на рисунке приведена схема электрической цепи, в которой провода можно считать идеальными. Определите сопротивление резистора, если показания амперметра 0,2 А, а вольтметра — 8 В.
Решение:
Вольтметр подключен параллельно резистору. Следовательно, он показывает напряжение на резисторе U.
Амперметр подключен последовательно. Следовательно, он показывает силу тока I на всей цепи.
Чтобы найти сопротивление на резисторе, воспользуемся законом Ома:
I=(frac{U}{R}), где R — сопротивление резистора.
Выразим R и подставим значения:
R=(frac{U}{I})
R=(frac{8}{0,2})=40 (Ом)
Ответ: 40
Работа и мощность электрического тока
Вернемся к понятию работы. Мы говорили, при перемещении заряда по проводнику электрическое поле совершает работу (А):
A = qU
Если мы выразим заряд из формулы силы тока q=It, то получим, формулу для расчета работы электрического поля (А) при протекании постоянного тока (или просто работа тока):
A — работа электрического тока (Дж),
U — напряжение (В),
I — сила тока (А),
t — время прохождения тока (с).
Единица измерения А — Дж (Джоуль).
В быту ток совершает работу длительное время, поэтому при определении затраченной электрической энергии используют единицу измерения кВт * ч. Киловатт в час — это энергия, которая потребляется устройством мощностью 1 кВт в течении 1 часа. Учитывая, что 1 ч=3600 с, получим:
1 кВт*ч = 1000 Вт * 3600 с = 3600000 Дж = 3600 кДж
Если же работу тока рассчитать за единицу времени, то мы получим мощность постоянного электрического тока.
Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии.
P — мощность (Вт),
A — работа электрического тока (Дж),
t — время прохождения тока (с).
Единица измерения P — Вт (Ватт).
Средняя мощность тока равна:
(P = frac{A}{t} = frac{qU}{t} = IU = frac{U^2}{R} = I^2R)
Теперь мы знаем все про мощность и работу тока, а значит, нужно отработать это на практике. Тем более что такие задачи встречаются в ЕГЭ (номер 12).
Задача.
Какую работу совершит электрический ток в электродвигателе вентилятора за 20 мин., если сила тока в цепи 0,2 А, а напряжение 12 В?
Решение.
Вспомним формулу для работы тока A=U*I*t , где U=12 В — напряжение в электродвигателе, I=0,2 A — сила тока, t=20 мин=1200 с — время.
Все данные нам уже известны, поэтому можем подставить их в формулу для работы тока и получить ответ.
A=12*0,2*1200=2880 Дж
Ответ: 2880 Дж
Мощность электроприбора всегда указывается в документации, прилагающейся к нему. Кроме того, нередко ее пишут на самом приборе. Давайте посмотрим на утюг, или стиральную машину дома. Мы увидим, что утюг имеет мощность 1000 Вт, а обычная энергосберегающая лампочка, всего 40 Вт (на то она и сберегающая). Чем больше мощность прибора, тем больше энергии он будет потреблять. Примеры мощностей различных приборов представлены на рисунке.
Закон Джоуля — Ленца
Теперь же свяжем работу тока и теплоту, которая выделяется на проводнике за некоторое время t.
Когда приборы подключены в сеть, мы можем заметить, что они нагреваются. Очень часто это наблюдается, когда телефон подключен на зарядку, а мы продолжаем по нему звонить, использовать интернет и прочее. Это плохо влияет на телефон: перегрев батареи и корпуса могут быстрее привести девайс в негодность.
Почему так происходит?
Электрический ток оказывает тепловое действие на проводник. Количество теплоты, которое при этом выделяется, будет рассчитываться по закону Джоуля — Ленца:
Количество теплоты, выделяемое за время в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления проводника:
Q — количество теплоты (Дж),
I — работа электрического тока (Дж),
R — сопротивление (Ом),
t — время прохождения тока (с).
Единица измерения Q — Дж (Джоуль).
В электронагревательных приборах используются проводники с высоким сопротивлением, что обеспечивает выделение тепла на определенном участке.
Так, проволоку из нихрома (сплав никеля с хромом) применяют в электронагревательных элементах, работающих при температуре до 1000 ℃ (резисторах, например). Нихром относится к классу сплавов с высоким электрическим сопротивлением, что определяет его применение в качестве электрических нагревателей. Этот сплав используется также в печах обжига и сушки и различных аппаратах теплового воздействия, например, в фенах, паяльниках или обогревателях.
Кто первый ввел понятие «электрический ток» в науку? Ответ: Андре-Мари Ампер.
Такой был финальный вопрос (ценой в 1 000 000) в игре «Кто хочет стать миллионером?» от 20 января 2018 г. Но участники не смогли ответить на него, и мечту получить свой миллион не исполнили.
Еще немного про электричество…
- Постоянный электрический ток используется в работе двигателей электротранспорта, схемах автомобилей, электронике и др.
- Электричество есть и в нашем организме. Мышечные клетки сердца при сокращении производят электроэнергию, эти импульсы можно измерить с помощью электрокардиограммы (ЭКГ).
- Бенджамин Франклин (да-да, президент Америки) провел множество опытов в 18 веке и создал громоотвод. Также он является человеком, который вывел закон сохранения электрического заряда.
- В древности люди считали, что, если молния ударила в курган, значит, там зарыто сокровище.
Термины
Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.
Сторонние силы — силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов в источнике тока.
Фактчек
- Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени: (I = frac{q}{t})
- Напряжение — скалярная физическая величина, равная отношению полной работы кулоновских и сторонних сил А при перемещении положительного заряда на участке цепи к значению этого заряда: (U = frac{A}{q})
- Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи: (R = frac{pl}{S})
- Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии: (P = frac{A}{t})
- Закон Ома: сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении: (I = frac{U}{R}).
- Закон Джоуля— Ленца: количество теплоты Q, выделяемое за время t в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока I на этом участке и сопротивления R проводника: Q = I2Rt.
- Работа электрического поля при протекании постоянного тока (или просто работа тока): А = UIt.
Проверь себя
Задание 1.
Упорядоченное движение заряженных частиц — это:
- электрическое поле
- электрический ток
- электрическая мощность
- работа тока
Задание 2.
Удельное сопротивление проводника:
- зависит от температуры
- не зависит от температуры
- зависит от силы протекающего через проводник тока
- не зависит от напряжения
Задание 3.
Формула для расчета силы тока:
- I = Ut
- I = UIt
- I = I2Rt
- (I = frac{q}{t})
Задание 4.
Что такое мощность электрического тока:
- работа за единицу времени
- отношение заряда к единице времени
- произведение силы тока на сопротивление
- тепло, выделяемое на резисторе
Задание 5.
Причина электрического сопротивления:
- во взаимодействии зарядов одинакового знака
- в отсутствии взаимодействия между зарядами
- во взаимодействии зарядов разного знака
- в передаче тепла
Ответы: 1.— 2; 2. — 1; 3.— 4; 4.— 1; 5. — 3.
Частый вопрос, который задают на школьном экзамене по физике: “А назовите-ка нам, голубчик, какое направление имеет электрический ток в цепи?”
Тут следует вспомнить, что электрический ток как таковой – это упорядоченное движение заряженных частиц. Это движение часто ассоциируют с водой в трубе. Само собой, что у такого движения есть направление.
В рамках действующей модели мы должны сказать, что исторически принято считать направлением тока в цепи движение положительных зарядов. Значит, электрический ток перемещается от плюса к минусу. Фраза “истерически принято” отмечено не зря. Чуть позже, когда начали изучать электрический ток в металлах, формулировку дополнили.
Если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.
Обратите внимание, что и тут это положение является скорее общепринятым, нежели реальным.
В итоге так и запоминаем – ток в электрической цепи движется противоположно электронам, а электроны перемещаются от минуса к плюсу.
Часто спрашивают о том, почему частицы движутся именно так? Почему их направление движения такое, а не другое? Причина такого их поведения довольно простая. Противоположности притягиваются и положительная клемма источника питания (удобно тут разбираться на постоянном токе) тянет к себе отрицательные заряды и они, преодолевая всю цепь, переходят от минуса к плюсу.
Такая модель удобная, она подтверждена на практике и позволяет заставить работать любое современное устройство.
Нет ничего важнее мелочей…
Однажды Нильс Бор не применительно к электрическому току сказал:
Мне всё равно, как это работает – главное, что это работает
По этой логике такая физическая модель прекрасно подходит для практики, но в плане теоретических изысканий хотелось бы большего.
Возьмем хотя бы представление о том, что электрический ток – это движение электронов. Допустим, можно принять это как главный постулат. Вот только электроны представляются всем как мячики, которые катаются по полой трубе. Опять-таки, это подходящая модель, чтобы зажечь лампочку, а не понять смысл электрического тока.
Современное представление об электроне сводится к тому, что это некоторая энергетическая субстанция, являющаяся прямым следствием колебания квантового поля.
И тут интересно порассуждать насчёт направления движения тока в проводнике, зная об этом. Хочу отметить, что дальше будут приведены скорее мои догадки и предположения, нежели сугубо экспериментальные данные.
Факт того, что “электричество” перемещается по проводам оспорить сложно. В противном случае лампочка горела бы всегда или не зажигалась бы в момент включения в цепь. Сам электрический ток сегодня правильнее называть уже энергией, опираясь на тот факт, что и электрон является колебанием поля. Значит, по проводам перемещается энергия.
Направление перемещения энергии будет совпадать с направлением тока в проводнике. Движение же энергии подчиняется направлению энтропии. Тут следует вспомнить рассуждения о демоне Максвелла и направлении физических процессов. Противоречие получается только в том, что в одном случае мы использовали модель с мячиками в качестве электронов, а в другом случае рассматриваем сам электрон как энергию.
При таком взгляде на проблему направления тока в цепи ключевым становится построение этой цепи, которое обеспечивает возможность энергии перемещаться стандартным образом, нежели какие-то специфические знания о природе конкретных частиц и их перемещениях. Ведь эти частицы только являются формой энергии. Это обстоятельство лишь подчеркивает, что рассуждая о направлении тока мы говорим только об “истерической модели”, которая хорошо ложится на практику.
П.с. Я ни в коем случае не убеждаю, что эту модель не нужно знать и она ошибочная. Она прекрасно работает на уровне “физической электрики”. Но мы-то тут посягаем на глубокие теории 🙂
⚠ Обязательно подписывайтесь на мой канал в ДЗЕН, тыкайте лайк 👍 и возвращайтесь за новым контентом! Материалы выходят регулярно!
👉 Тут я размещаю ссылки на новые материалы, чтобы они не потерялись в ДЗЕНе
🔹 Не забывайте читать новые статьи на сайте!
✅ Подписывайтесь на телегу проекта
Что такое электрический ток
Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов.
В металлических проводниках движутся отрицательные заряды, т.е. электроны.
В других проводниках, таких как жидкие электролиты, положительные и отрицательные ионы могут двигаться в определенном направлении.
В полупроводниках электроны и дырки несут заряд.
Примечания: Дыра — это псевдочастица, свободное пространство для электрона. Он заряжен положительно и может рассматриваться как пузырек в электронном газе.
Рисунок 5. В различных средах электрический ток создает такие заряды.
Мы видим, что электрический ток может быть вызван движением как положительных, так и отрицательных частиц.
В этом случае положительные частицы притягиваются к отрицательному полюсу источника тока и движутся к нему по цепи.
А отрицательные частицы также притягиваются к положительному полюсу источника тока и движутся к нему.
Примечание: Чтобы определить направление движения заряженных частиц, мы можем использовать коэффициент расхода воды: Заряды перемещаются, как вода, из тех мест, где их много, в те, где их мало. В начале развития теории электричества предполагалось, что в телах при протекании тока течет своего рода электрическая жидкость. Поэтому аналогия с потоком воды была перенесена на электричество. Позже выяснилось, что в корпусах нет электрической жидкости.
Если заряды движутся в одном направлении, то и ток имеет направление.
Природа электрического тока
Атомы состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. У последних заряд отрицательный. Ядро включает в себя частицы, заряженные положительно (протоны), и нейтральные (нейтроны). Обычно атом не имеет заряда, однако если по каким-то причинам электроны покидают орбиту, то он теряет свою нейтральность и становится ионом, заряженным положительно.
Движущиеся электроны создают электрический ток. Он возникает при наличии упорядоченного перемещения зарядов. Сила тока в цепи выражается количеством электронов, переместившихся через фиксированное поперечное сечение проводника за единицу времени. Эта величина обозначается символом «I». Он применяется уже много десятилетий. Такое обозначение является традиционным.
В радиосхемах обычно рассматривается движение зарядов по проводникам или по полупроводникам. Особенностью металлов считается то, что электроны отрываются от атомов относительно легко. Они движутся под действием электрополя, которое образуется благодаря разности потенциалов на клеммах источника электротока. Определить, каково направление электрического тока можно по правилу Ампера.
Виды токов
Сила постоянного тока с течением времени не изменяется. В этом случае после включения заряд перемещается по проводнику с одной и той же скоростью. Поэтому определение направления тока осуществляется по простым правилам.
В электротехнике распространено использование переменного тока. В этом случае речь идёт о его циклическом изменении, которое происходит по синусоидальному закону. При этом электрический ток меняет и направление, и величину.
Например, в нашей сети электропитания ток имеет частоту 50 Гц и соответствует амплитуде изменения напряжения 220 В. Но в различных странах используется бытовая электросеть с другими параметрами. При этом направление силы тока будет всегда меняться циклически.
Иногда дополнительно выделяют пульсирующий ток. Он сохраняет свой знак, но периодически меняет абсолютную величину. Также возможно существование электротока, который носит произвольный характер. В таком случае силу и направление тока предсказать невозможно.
Надо заметить, что в проводниках движение электронов существует всегда. Оно становится направленным под действием электрополя. Однако и при этом движение в значительной степени сохраняет хаотичность. Просто при перемещении электронов возникает преимущественное направление тока. Оно выражено тем сильнее, чем больше прилагаемая разность потенциалов. Определить направление тока в проводнике можно по обычному правилу.
Ток может возникать не только в твёрдых телах, но и в газах или жидкостях. В первом случае атомы привязаны друг к другу, поэтому свободно перемещаться могут только электроны. В газах и жидкостях атомы способны так же свободно двигаться, как и электроны.
Действия электрического тока
Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.
1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.
2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.
3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе 
положительные ионы
двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.
Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.
Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.
Сила и плотность тока
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:
(1)
Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.
Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока. Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).
В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за
с.
Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:
(2)
где
— сила тока,
— площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:
Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2), плотность тока измеряется в А/м2.
Направление электрического тока
Свободные электроны.. Электрический ток.. Измерение тока.. Амперметр.. Единица силы тока — Ампер.. Направление электрического тока.. Направление движения электронов..
- Когда электрическое поле прикладывается к проводнику, свободные электроны (носители отрицательного заряда) начинают дрейфовать в соответствии с направлением электрического поля – возникает электрический ток.
- Движение электронов означает движение отрицательных зарядов, следовательно, – электрический ток являетсямерой количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени.
- Измерение тока
- Единица силы тока Кулон в секунду в системе СИ имеет конкретное название Ампер (А) – в честь знаменитого французского ученого Андре-Мари Ампера (на фото в заголовке статьи).
В международной системе СИ единица измерения заряда – Кулон, а единица времени – секунда. Поэтому единица силы тока – Кулон в секунду (Кл/сек).
Как мы знаем, величина отрицательного электрического заряда электрона -1,602 • 10-19 Кулона. Поэтому один Кулон электрического заряда состоит из 1 / 1,602 • 10-19 = 6,24 • 1018 электронов. Следовательно, если 6,24 • 1018 электронов пересекает поперечное сечение проводника за одну секунду, то величина такого тока равна одному амперу.
Для измерения силы тока существует измерительный прибор — амперметр.
Амперметр включается в электрическую цепь (рис. 1) последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором необходимо измерить. При подключении амперметра нужно соблюдать полярность: «плюс» амперметра подключается к «плюсу» источника тока, а «минус» амперметра — к «минусу» источника тока.
Направление электрического тока
Если в электрической цепи, показанной на рис. 1 замкнуть контакты выключателя, то по этой цепи потечет электрический ток. Возникает вопрос: «А в каком направлении?»
Мы знаем, что электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц – электронов (в других средах это могут быть ионы или ионы и электроны).
Отрицательно заряженные электроны во внешней цепи двигаются от минуса источника к плюсу (одноименные заряды отталкиваются, противоположные — притягиваются), что хорошо иллюстрирует рис.
Выбор направления тока, противоположного истинному, иначе как парадоксальным назвать нельзя, но объяснить причины такого несоответствия можно, если проследить историю развития электротехники.
Дело в том, что электрические заряды стали изучать задолго до того, как были открыты электроны, поэтому природа носителей заряда в металлах была еще неизвестна.
Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл американский ученый и политический деятель Бенджамин Франклин.
В своей работе «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747 г.) Франклин предпринял попытку теоретически объяснить электрические явления. Именно он первым высказал важнейшее предположение об атомарной, «зернистой» природе электричества: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими».
Франклин полагал, что тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно, а тело, теряющее электричество, заряжается отрицательно. При их соединении избыточный положительный заряд перетекает туда, где его недостает, то есть к отрицательно заряженному телу (по аналогии с сообщающими сосудами).
Эти представления о движении положительных зарядов широко распространились в научных кругах и вошли в учебники физики. Так и получилось, что действительное направление движения электронов в проводнике противоположно принятому направлению электрического тока.
После открытия электрона ученые решили оставить все как есть, поскольку пришлось бы очень многое изменять (и не только в учебниках), если указывать истинное направление тока. Также это связано и с тем, что знак заряда практически ни на что не влияет, пока все используют одно и то же соглашение.
Как определяется в проводе, способы
Наличие тока в проводнике нельзя определить визуально. Способы его обнаружения основываются на его воздействии на окружающую среду:
1. Тепловое воздействие. Если ток протекает через провод, то последний будет нагреваться. Это свойство реализуется в лампах накаливания (вольфрамовая нить накаляется и светится при пропускании через нее тока), утюгах и электроплитах. Такой тип воздействия описывается законом Джоуля-Ленца:
Q=I2·R·∆t, где Q — количество теплоты, Дж; I — сила тока, А; R — сопротивление, Ом;∆t — время прохождения тока, с.
2. Химическое воздействие. Это свойство часто применяется в различных растворах. При пропускании тока через подкисленную воду она распадается на составляющие: водород и кислород. Если пропустить ток через раствор медного купороса, в нем выделятся положительные ионы меди. На химическом воздействии основан электролиз, используемый в гальванопластике, для получения алюминия и др.
3. Магнитное воздействие основано на том, что движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле. Отметим, что это утверждение справедливо и в случае постоянного тока, и в случае переменного.
Обнаружить ток можно, поместив рядом два провода. При прохождении тока проводники начнут либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться. Если векторы плотности тока являются сонаправленными, провода начнут сближаться, если противоположно направлены — отталкиваться.
На явлении магнетизма основана работа электромагнитов. Простейший электромагнит представляет собой катушку, сердечник которой выполнен из ферромагнитного материала, а по обмотке протекает электрический ток. В результате возникает магнитное поле.
Как найти направление тока, формула, правило буравчика
Магнитное поле, возникающее при протекании электрического тока в проводнике, характеризуется магнитной индукцией B→.
Величина индукции, появившейся под действием постоянного электрического тока, определяется законом Био-Савара-Лапласа. Формула в векторной форме для элемента ∆l проводника с током I имеет вид:
Формула 4
ΔB→=μ04π·I·Δl→×r→r3,
где ΔB→ — индукция, создаваемая в некоторой точке, Тл;
r→ — радиус-вектор, проведенный от элемента Δl к точке, в которой необходимо найти индукцию, м;
μ0 — магнитная постоянная, равная 4π·10-7Гн/м.
Запись закона в скалярной форме будет зависеть от формы проводника (прямой провод, соленоид и т.д.).
Направления составляющих векторного произведения можно определить по правилу буравчика.
Правило 1
Правило буравчика для элемента проводника. Направление вектора B в заданной точке будет совпадать с поступательным движением ручки буравчика, если вращать буравчик в сторону наименьшего угла от вектора Δl→ к вектору r→.
Из правила буравчика можно сделать вывод о том, что вектор B всегда лежит в плоскости, перпендикулярной направлению тока.
При протекании тока по проводнику линии индукции B охватывают проводник, сформулируем правило буравчика и правило правой руки для этого случая.
Правило 2
Правило буравчика для проводника с током. Буравчик направить так, чтобы при совершении оборота направление вращения совпадало с направлением линий магнитного поля. Направление тока в этом случае будет совпадать с поступательным движением буравчика.
Правило 3
Правило правой руки. Ладонью правой руки охватывают проводник так, чтобы четыре пальца совпадали с силовыми линиями магнитного поля. Отогнутый большой палец укажет направление движения зарядов.
В соленоиде направление линий магнитного поля и тока также определяются по правилу буравчика: если ток в витках направлен по часовой стрелке, вектор В направлен вниз, если против — вверх.
Скорость направленного движения зарядов
Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к
км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.
Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.
Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.
Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.
1. Скорость распространения тока. Это — скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к
км/с.
2. Скорость направленного движения свободных зарядов. Это — средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа.
Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока
через скорость
направленного движения зарядов проводника.
Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения
(рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим
(в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна
.
Рис. 2. К выводу формулы
Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?
С одной стороны, разумеется,
(3)
С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра с высотой . Их число равно:
Следовательно, их общий заряд будет равен:
(4)
Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:
(5)
Соответственно, плотность тока оказывается равна:
Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.
Заряд электрона известен: Кл.
Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:
м
Положим мм . Из формулы (5) получим:
м/с.
Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.
Стационарное электрическое поле
Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?
Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!
Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть — постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.
Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.
Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода — электрическое поле. По проводу потечёт ток. Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет. Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённость
поля внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.
То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи — для этого требуется совершать ненулевую работу.
Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?
Ответ — источник тока, важнейший элемент электрической цепи.
Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).
Клеммы источника — это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи — как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.
В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего — химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.
Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника — так называемую ЭДС — мы изучим позже, в соответствующем листке.
А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?
Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.
Стационарное электрическое поле — это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.
Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.
А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).
1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).
Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории. Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.
2. В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).
Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула , где
— напряжение на концах проводника,
— напряжённость стационарного поля в проводнике,
— длина проводника.
Предыдущая
ТеорияКак построить векторную диаграмму токов и напряжений
Следующая
ТеорияТиристорный преобразователь частоты
Как определить направление силы тока
Истинным направлением тока является то, в котором движутся заряженные частицы. Оно, в свою очередь, зависит от знака их заряда. Помимо этого, техники пользуются условным направлением перемещения заряда, не зависящим от свойств проводника.
Инструкция
Для определения истинного направления перемещения заряженных частиц руководствуйтесь следующим правилом. Внутри источника они вылетают из электрода, который от этого заряжается с противоположным знаком, и движутся к электроду, который по этой причине приобретает заряд, по знаку аналогичный заряду частиц. Во внешней же цепи они вырываются электрическим полем из электрода, заряд которого совпадает с зарядом частиц, и притягиваются к противоположно заряженному.
В металле носителями тока являются свободные электроны, перемещающиеся между узлами кристаллической решетки. Поскольку эти частицы заряжены отрицательно, внутри источника считайте их движущимися от положительного электрода к отрицательному, а во внешней цепи – от отрицательного к положительному.
В неметаллических проводниках заряд переносят также электроны, но механизм их перемещения иной. Электрон, покидая атом и тем самым превращая его в положительный ион, заставляет его захватить электрон с предыдущего атома. Тот же электрон, который покинул атом, ионизирует отрицательно следующий. Процесс повторяется непрерывно, пока в цепи течет ток. Направление движения заряженных частиц в этом случае считайте тем же, что и в предыдущем случае.
Полупроводники бывают двух видов: с электронной и дырочной проводимостью. В первом носителями зарядов являются электроны, и потому направление движения частиц в них можно считать таким же, как в металлах и неметаллических проводниках. Во втором же заряд переносят виртуальные частицы – дырки. Упрощенно можно сказать, что это своего рода пустые места, электроны в которых отсутствуют. За счет поочередного сдвига электронов дырки движутся в противоположном направлении. Если совместить два полупроводника, один из которых обладает электронной, а другой – дырочной проводимостью, такой прибор, называемый диодом, будет обладать выпрямительными свойствами.
В вакууме заряд переносят электроны, движущиеся от нагретого электрода (катода) к холодному (аноду). Учтите, что когда диод выпрямляет, катод является отрицательным относительно анода, но относительно общего провода, к которому присоединен противоположный аноду вывод вторичной обмотки трансформатора, катод заряжен положительно. Противоречия здесь нет, если учесть наличие падения напряжения на любом диоде (как вакуумном, так и полупроводниковом).
В газах заряд переносят положительные ионы. Направление перемещения зарядов в них считайте противоположным направлению их перемещения в металлах, неметаллических твердых проводниках, вакууме, а также полупроводниках с электронной проводимостью, и аналогичным направлению их перемещения в полупроводниках с дырочной проводимостью. Ионы значительно тяжелее электронов, отчего газоразрядные приборы обладают высокой инерционностью. Ионные приборы с симметричными электродами не обладают односторонней проводимостью, а с несимметричными – обладают ей в определенном диапазоне разностей потенциалов.
В жидкостях заряд всегда переносят тяжелые ионы. В зависимости от состава электролита, они могут быть как отрицательными, так и положительными. В первом случае считайте их ведущими себя аналогично электронам, а во втором – аналогично положительным ионам в газах или дыркам в полупроводниках.
При указании направления тока в электрической схеме, независимо от того, куда перемещаются заряженные частицы на самом деле, считайте их движущимися в источнике от отрицательного полюса к положительному, а во внешней цепи – от положительного к отрицательному. Указанное направление считается условным, а принято оно до открытия строения атома.
Источники:
- направление тока
