Как найти скорость движения электрона в проводнике

С какой скоростью движется электрон в проводнике? Это наиболее обсуждаемый вопрос в комментариях к моим статьям. В википедии пишут, что электрон движется со скоростью несколько сантиметров или даже миллиметров в секунду.

Но это противоречит фактам! Ведь свет в квартире включается практически мгновенно! Чтобы лампочка зажглась, электроны от выключателя должны “пробежать” по проводу несколько метров! Значит лампочка должна зажечься через минуту а то и больше!

Итак, давайте для начала проверим, действительно ли электрон в проводнике движется так медленно. И вообще с какой скоростью он движется? И как он вообще движется?

Не стоит думать, что электрон под действием электрического поля летит как мяч после удара футболиста вперед и прямо. Он скорее блуждает то влево то вправо, то прыгает назад. Но охотнее всего он занимает вакантное место у соседнего атома. Но в целом он перемещается в направлении поля.

Для того, чтобы было проще описать это движение физики придумали специальную величину – подвижность. Подвижностью пользуются для описания движения носителей заряда в полупроводниках и проводниках.

Подвижность – отношение скорости перемещения носителя заряда к приложенному полю. Размерность подвижности м2/(В·с) или см2/(В·с). Фактически подвижность численно равна средней скорости носителей заряда при напряженности электрического поля в 1 В/м.

Стоит заметить, что мгновенная скорость может быть много больше дрейфовой. Понятие подвижности может применяться только при слабых электрических полях, когда выполняется линейность по электрическому полю и нет разогрева носителей, которое связано с квадратом электрического поля.

Как ни странно, подвижность электронов в металлах намного меньше, чем в полупроводниках. Так, например, для меди подвижность электронов равна 32 см2/(В·с) а для арсенида галлия 85 000 см2/(В·с) ! Почему же полупроводники как правило проводят хуже металлов?

Все очень просто. На электропроводность кроме подвижности влияет еще и концентрация электронов, а она в полупроводниках ниже, чем в металлах.

Итак, давайте рассчитаем скорость электронов в медном проводнике. Возьмем отрезок провода длинной 1 м (100 см) и приложим к нему разность потенциалов 220 В. Напряженность поля составит 220 В/м или 2.2 В/см. И скорость электронов составит 32 * 2,2 = 70.4 см/сек! То есть почти метр в секунду! Кто врет википедия или мой калькулятор?

Но тем не менее это слишком медленно, чтобы свет в квартире зажигался практически мгновенно. Так как же так происходит?

Обратите внимание, что для того чтобы лампочка зажглась, совсем не обязательно, чтобы электрон (назовем его Вася), в проводе рядом с выключателем, “добежал” до электрической спирали лампочки. Достаточно чтобы электрон Петя в проводе рядом со спиралью сделал это!

Но как же электрон Вася сообщит Пете, что уже пора бежать? А сделает это электрическое поле! Вспомните, что когда мы бросаем камешек в воду, от места падения разбегаются волны. И вода начинает колебаться не только в месте падения, но на значительном расстоянии от него!

И это происходит не мгновенно а с определенной скоростью. И, кстати, вода из места падения может никуда и не переместиться, если нет течения! Точно так же передается и электрическое взаимодействие. С помощью электромагнитного поля. И скорость распространения этого поля равна скорости света, около 300 000 км/сек.

И именно поэтому свет в квартире зажигается практически мгновенно! А мгновенно ли? Давайте проведем такой мысленный эксперимент. Обернем вокруг земли точно по экватору провод так, чтобы начало этого провода было у нас в левой руке а конец в правой или наоборот. Пусть этот провод будет сверхпроводящим для простоты. Не забудем надеть электроизоляционные перчатки!

На один конец провода подключим электрометр чтобы фиксировать изменение потенциала а к другому поднесем предварительно заряженную эбонитовую палочку. Через какое время электрометр отреагирует на прикосновение палочкой к проводу?

Давайте посчитаем.

Сделать это очень просто. Мы знаем, что длина экватора равна примерно 40 000 км. Делим это расстояние на скорость света 300 000 км/сек и получаем 0,133 сек! Для нас это будет казаться мгновенно, ведь реакция глаза человека около 0,25 сек. Но конечно это не мгновенно.

А интересно, за какое время электрон Вася в начале провода добежит до электрометра? Раньше мы определили скорость электрона в 70 см/сек или 0,7 м/сек. делим 40 000 км или 40 000 000 м на 0,7 и получаем… 57 142 857 сек! А это 22 месяца! То есть почти два года электрон Вася будет бежать к электрометру! Не близкий путь, однако!

Конечно, все, что изложено в статье схематично и условно. Но я надеюсь, что вам стало понятнее, почему свет в квартире зажигается тотчас, как мы поворачиваем выключатель, почему электрический конденсатор разряжается быстро и с какой задержкой происходят переговоры по трансатлантическому кабелю!

И если статья была для вас полезна, смело ставьте ЛАЙК!

Напишите в комментариях ваши соображения на эту тему!

Подпишитесь на канал!

Нам известно, что телу можно сообщить заряд. Если не прикасаться после этого к телу, то полученный заряд будет оставаться на этом теле, то есть, перемещаться не будет.

Но если заставить заряд двигаться, можно наблюдать интересные явления. Потому, что именно движущиеся заряды создают:

1. выполнение работы электрическими двигателями;
2. выделение тепла в электрических нагревательных приборах;
3. свечение ламп накаливания.

Скорость теплового движения свободных электронов

Нам известно, что общий заряд тела состоит из большого количества элементарных зарядов.

К примеру, в твердых телах положительные заряды – это ядра атомов, или ионы. А отрицательные – это электроны.

А в жидкостях или газах – положительные и отрицательные заряды – это ионы.

Примечание: Ион – атом, у которого присутствует избыток электронов, либо наоборот, электронов меньше, чем в нейтральном атоме.

Рассмотрим твердый проводник, в нем присутствуют свободные заряды. Это такие электроны, которые оторвались от своего атома и свободно путешествуют по всему объему проводника.

Примечание: Проводник – это тело, в котором много свободных электронов.

Как известно из молекулярно-кинетической теории (МКТ), мельчайшие частицы вещества находятся в непрерывном движении. Это движение возникает под действием температуры, поэтому, его часто называют тепловым. Такое движение беспорядочное, то есть — хаотическое.

Рассчитаем, с какой скоростью электроны в проводнике беспорядочно перемещаются под действием температуры.

Для этого воспользуемся формулой среднеквадратичной скорости частиц из молекулярной физики:

[large v = sqrt{frac{3kT}{m}}]

Подставим в формулу такие числовые значения:

(large T = 300 left( Kright)) – комнатная температура +27 градусов Цельсия;

(large k = 1,38 cdot 10^{-23} left( frac{text{Дж}}{K}right) ) – постоянная Больцмана;

(large m = 9,1 cdot 10^{-31} left(text{кг}right) ) – масса электрона;

После расчетов получим скорость, примерно равную

[large v approx 117 left(frac{text{км}}{text{сек}}right) ]

Как видите, это очень большая скорость, более 100 километров в секунду.

Примечание: Физики свободные электроны в проводнике рассматривают, как частицы идеального газа. Его так и называют – электронный газ.

Однако, еще раз подчеркну, что тепловое движение – хаотическое. С помощью такого движения электрический ток не создать. Потому, что ток – это направленное движение зарядов.

Что такое электрический ток

Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов.

В металлических проводниках движутся отрицательные заряды — электроны.

А в других проводниках, например, в жидких электролитах, направленно могут двигаться положительные и отрицательные ионы.

Внутри полупроводников заряд переносят электроны и дырки.

Примечание: Дырка – это псевдочастица, вакантное место для электрона. Она имеет положительный заряд, ее можно рассматривать, как пузырек, находящийся в электронном газе.

Мы видим, что электрический ток может создаваться движением, как положительных частиц, так и отрицательных.

При этом, положительные частицы будут притягиваться к отрицательному полюсу источника тока и двигаться по цепи к нему.

А отрицательные частицы будут притягиваться и двигаться к положительному полюсу источника тока.

Примечание: Чтобы определить направление движения заряженных частиц, можно воспользоваться аналогией с течением воды: Заряды, как вода, движутся оттуда, где их много, туда, где их мало. На заре изучения электричества считали, что во время протекания тока в телах протекает некая электрическая жидкость. Поэтому для электрического тока применяется аналогия с течением воды. Позже выяснилось, что никакой электрической жидкости в телах нет.

Если заряды движутся направленно, значит, и ток будет иметь направление.

Куда направлен ток

Как выбрать направление электрического тока? На движение каких частиц – положительных, или отрицательных, ориентироваться? Оказывается, направление тока — это условный выбор.

Физики договорились, что направление электрического тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Значит, ток направлен от «+» к «-» выводу источника тока.

Пусть, известно направление вектора напряженности (large vec{E} ) электрического поля. Чтобы определить направление тока, нужно считать, что в этом поле движутся положительно заряженные частицы.

Положительные заряды будут двигаться по направлению вектора (large vec{E} ), а отрицательные – навстречу вектору.

Примечание: В металлах электроны движутся от минуса к плюсу, а ток направлен от плюса к минусу

Примечание: Наличие направленного движения зарядов можно определить косвенно. Протекая по проводнику, ток воздействует на этот проводник. Известны тепловое, химическое, или магнитное действие тока.

Чем больше ток, то есть, чем он сильнее, тем более заметно его действие.

Что такое поперечное сечение проводника

Электрический ток – это направленно движущиеся по проводнику свободные заряды. Его можно определить, когда известно количество заряженных частиц, прошедших через проводник.

Проводник может быть достаточно длинным. Поэтому неудобно учитывать заряды, находящиеся во всей длине проводника.

Чтобы было проще посчитать количество зарядов, на проводнике выбирают точку в любом удобном месте.

Через эту точку мысленно проводят плоскость, располагая ее перпендикулярно по отношению к проводнику. Так как эта плоскость в проводнике ограничивает собой площадь S, ее часто называют площадью поперечного сечения проводника.

Для вычисления силы тока, ведут подсчет зарядов, прошедших через это сечение.

Как рассчитать площадь сечения

Проводник будем считать круглой трубкой, по аналогии с трубой, по которой течет жидкость. Пользуясь этой аналогией, так же, примем, что внутри такой трубки будут двигаться заряды, они обозначены кружками на рисунке.

Выделим на трубе какую-либо точку. Мысленно отрежем кусок трубы, проводя разрез перпендикулярно. Стенки трубки в месте отреза являются границей круга.

Площадь полученного круга можно вычислить по такой геометрической формуле:

[large boxed{ S_{0} = pi cdot frac{D^{2}}{4} = pi cdot R^{2} }]

(large S_{0} left( text{м}^{2} right)) – площадь круга;

(large pi approx 3,14) – число Пи;

(large D left(text{м}right)) – диаметр круга;

(large R left(text{м}right)) – радиус круга;

Проводник может иметь не только цилиндрическую форму. Промышленность изготавливает металлические проводники, имеющие квадратное, прямоугольное, треугольное или какое-либо другое сечение. Понятно, что площади таких сечений нужно рассчитывать, пользуясь другими геометрическими формулами.

Сила тока по определению

Силу тока (ток) обозначают большой латинской буквой (large I).

Постоянный ток можно рассматривать, как равномерное направленное движение заряженных частиц. Равномерное – значит, с одной и той же скоростью.

Если же ток изменяется, то будет изменяться и скорость движения зарядов.

Сила тока – это:

1. физическая величина;
2. отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника к длительности промежутка времени, в течение которого заряд проходил.

Ток равен заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за одну секунду.

Для постоянного тока используем формулу:

[large boxed{ I = frac{Delta q}{Delta t} }]

(large I left(Aright)) – ток (сила тока) в Амперах;

(large Delta q left( text{Кл}right) ) – заряд в Кулонах, прошедший через поперечное сечение проводника;

(large Delta t left( cright) ) – промежуток (кусочек) времени, в течение которого заряд прошел;

[large boxed{ 1 A = frac{1 text{Кл}}{1 c} }]

Если электрический ток не изменяется ни по величине, ни по направлению, то его называют постоянным.

Если хотя бы одна из характеристик изменяется, ток называют переменным. Он будет различным в разные моменты времени. Если задано уравнение, описывающее, как изменяется заряд, то для вычисления такого тока удобно пользоваться производной.

Исключаем путаницу с понятием силы

В физике исторически сложилось использование таких терминов, как

• сила тока,
• электродвижущая сила,
• лошадиная сила.

Эти единицы измерения имеют в своем названии слово «сила». Из механики известно, что сила – величина векторная, измеряется в Ньютонах. Однако, пусть это не вводит вас в заблуждение.

Ни одна из описанных величин не измеряется в Ньютонах. Перечисленные величины имеют другие единицы измерения:

• силу тока измеряют в Амперах,
• электродвижущую силу – в Вольтах,
• а лошадиная сила – это единица измерения мощности, ее можно перевести в Ватты в системе СИ.

Чтобы исключить путаницу, вместо термина «сила тока», можно употреблять слово «ток». Сравните выражения: «Силу тока измеряют в Амперах» и «ток измеряют в Амперах».

Как видно, вполне можно обойтись словом «ток», вместо «силы тока». Смысл от этого не изменится.

Что такое 1 Ампер в системе СИ

Сила тока в 1 Ампер была определена в системе СИ с помощью силы взаимного действия двух проводников с током.

Рассмотрим два тонких проводника (рис. 9). Каждый проводник имеет бесконечную длину. Расположим их в вакууме параллельно на расстоянии 1 метр один от другого.

Выделим на каждом проводнике кусочек длиной 1 метр.

Если проводники взаимодействуют с силой (large 2 cdot 10^{-7} ) Ньютона, приходящейся на каждый метр их длины, то по каждому из них течет постоянный ток 1 Ампер.

Ампер – это основная единица в системе СИ. А заряд Кулон – величина, определяемая с помощью Ампера.

1 Кулон – это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника с током 1 Ампер.

Один Ампер – много это, или мало

1 Ампер это 1 Кулон деленный на 1 секунду. Для большинства бытовых электроприборов это достаточно большая сила тока.

Например, через энергосберегающие лампы протекают токи 0,04 — 0,08 Ампера.

Большой плоский телевизор от электроосветительной сети потребляет ток 0,2 Ампера.

Лампа накаливания –примерно 0,5 Ампера.

Как видно, большинство электроприборов потребляют токи менее одного Ампера.

Поэтому, для тока часто применяют дольные единицы измерения:

миллиамперы, микроамперы, и наноамперы:

1мА (миллиампер)= 10⁻³ А

1мкА (микроампер) = 10⁻⁶ А

1нА (наноампер) = 10⁻⁹ А

Ток зарядки аккумулятора мобильного телефона может достигать 2 Ампер.

А через электрический обогреватель, или электрочайник, протекает ток силой до 10 Ампер.

Примечание: Ток силой всего 0,05 А может привести к летальному исходу. Будьте осторожны с электричеством!

В то же время, используют и токи, превышающие сотни Ампер. Например, на промышленных электростанциях.

Для таких токов применяют кратные единицы: килоампер, мегаампер.

1КА (килоампер)= 10³ А

1МА (мегаампер) = 10⁶ А

Связь между силой тока и скоростью движения зарядов

Рассмотрим металлический проводник. Мысленно выделим в нем два сечения площадью (large S ) на некотором расстоянии (large Delta x) одно от другого. Сечения располагаются поперечно проводнику.

В металлах электрический ток создается электронами. Обозначим (large e_{0}) заряд каждого электрона.

Заряды в проводнике, под действием электрического поля напряженностью (large vec{E} ) будут двигаться сонаправленно, от сечения к сечению.

При этом, они будут проходить путь (large Delta x) между двумя сечениями.

Если ток постоянный, то скорость движения зарядов изменяться не будет.

В таком случае, расстояние (large Delta x) и скорость (large v) движения электронов будут связаны формулой равномерного движения.

[large Delta x = v cdot Delta t]

(large Delta x left( text{м}right) ) – расстояние между двумя поперечными сечениями;

(large v left( frac{text{м}}{c}right) ) – скорость, с которой сонаправленно движутся заряды в проводнике; Эта скорость значительно меньше скорости теплового движения.

(large Delta t left( c right) ) – интервал времени, за который пройдено расстояние (large Delta x) между двумя поперечными сечениями;

Выразим из этой формулы время движения:

[large Delta t = frac {Delta x}{v} ]

Это выражение нам понадобится далее.

Сечения (large S )  и расстояние между ними (large Delta x) образуют в проводнике цилиндрический объем:

[large V = S cdot Delta x]

(large V left( text{м}^{3}right) ) – объем цилиндра;

В этом объеме содержится определенное количество электронов. Обозначим это количество: (large N ) штук.

Количество штук (large N ), расположенное в объеме (large V), называют концентрацией:

[large n = frac{N}{V} ]

(large n left( frac{text{штук}}{text{м}^{3}}right) ) – концентрация зарядов в объеме;

Найдем общий заряд всех заряженных частиц, расположенных в объеме (large V) между двумя поперечными сечениями:

[large Delta q = e_{0} cdot N]

Умножим правую часть уравнения на единицу, которую представим в виде дроби (displaystyle frac{V}{V}), в которой (large V) – это рассматриваемый объем. Тогда полный заряд можно записать в таком виде:

[large Delta q = e_{0} cdot N cdot 1 = e_{0} cdot N cdot frac{V}{V}]

Числитель V дроби и количество N частиц поменяем местами.

[large Delta q = e_{0} cdot V cdot frac{N}{V}]

Подставим в эту формулу выражение для объема:

[large Delta q = e_{0} cdot S cdot Delta x cdot frac{N}{V}]

Дробь в правой части заменим символом «n» концентрации:

[large Delta q = e_{0} cdot S cdot Delta x cdot n]

Средняя скорость совместного направленного движения зарядов (large v).

Применим определение силы тока:

[large I = frac {Delta q}{Delta t} ]

Подставим в это выражение формулу для общего заряда, прошедшего через сечение проводника:

[large I = frac {Delta q}{Delta t} =  frac {e_{0} cdot S cdot Delta x cdot n}{Delta t} ]

Выражение для удобства можно переписать так:

[large I = e_{0} cdot S cdot Delta x cdot ncdot frac {1}{Delta t} ]

Мы заранее выразили время (large Delta t ):

[large Delta t = frac {Delta x}{v} ]

Найдем для него обратную величину:

[large frac {1}{Delta t} = frac {v}{Delta x} ]

Подставим ее в формулу для тока:

[large I = e_{0} cdot S cdot Delta x cdot n cdot frac {v}{Delta x}]

Расстояние (Delta x) находится в числителе и в знаменателе, оно сократится. Окончательно получим выражение для связи между силой тока и скоростью движения зарядов:

[large boxed{I = e_{0} cdot S cdot n cdot {v}}]

Теперь можно утверждать, что

• чем больше зарядов помещаются в объеме,
• чем быстрее они сонаправленно двигаются
• и, чем толще проводник (чем больше площадь поперечного сечения),

тем больше ток.

Расчет скорости направленного движения электронов

Для этого можно использовать полученную формулу:

[large I = e_{0} cdot S cdot n cdot {v}]

Из нее можно выразить скорость:

[large boxed{frac{I}{e_{0} cdot S cdot n} = v}]

Чтобы найти скорость, с которой электроны движутся в проводнике, нужно: ток (I) разделить на заряд (е) электрона, концентрацию (n) электронов и площади сечения проводника (S).

Большинство соединительных проводников изготавливают из меди, или алюминия. Выберем медный проводник, имеющий цилиндрическую форму.

Площадь поперечного сечения выберем равной 1 миллиметру в квадрате:

[large S = 10^{-6} left( text{м}^{2}right) ]

Число атомов в объеме – концентрация, связано с плотностью вещества (ссылка). Для меди концентрацию атомов вычислить несложно. Она

[large n = 8,5 cdot 10^{28} left( frac{text{штук}}{text{м}^{3}}right) ]

равна концентрации электронов.

Примечание: Каждый атом меди отдает один из своих валентных электронов и, он превращается в свободный электрон. Поэтому, количество свободных электронов, находящихся в выбранном объеме меди будет равно количеству атомов в этом объеме.

Заряд электрона известен:

[large e_{0} = 1,6 cdot 10^{-19} left(text{Кл}right) ]

Предположим, в проводнике протекает ток силой 1 Ампер.

Тогда, скорость движения электронов:

[large v = frac{1}{1,6 cdot 10^{-19} cdot 10^{-6} cdot 8,5 cdot 10^{28}} ]

[large v = 7 cdot 10^{-5} left( frac{text{м}}{c}right) ]

Это меньше, чем 0,1 мм в секунду.

Скорость распространения электрического поля и скорость движения зарядов — в чем различия

Нужно различать скорость, с которой распространяется электрическое поле, при подключении к проводнику источника тока и скорость движения заряженных частиц в проводнике.

Скорость, с которой распространяется электрическое поле напряженностью (large vec{E}) – равна скорости света:

[large c = 3 cdot 10^{8} left( frac{text{м}}{c} right)]

А скорость направленного движения зарядов значительно меньше — менее 0,1 мм в секунду.

Примечание: В качестве скорости направленного движения свободных зарядов, выбирают среднее значение скорости, с которой перемещаются заряды во время протекания тока. Ее, так же, называют скоростью дрейфа.

В то же время, при комнатной температуре скорость беспорядочного теплового движения электронов немногим более 100 километров в секунду.

То есть, заряды быстро движутся хаотично, но при этом, они согласованно и достаточно медленно передвигаются в определенном направлении.

Такое движение можно сравнить с движением потока муравьев на лесной тропе. Каждый муравей в потоке движется хаотично. Но при этом, весь поток движется согласованно в выбранную сторону.

Пользуясь аналогией из окружающей природы, движение заряженных частиц во время протекания электрического тока можно сравнить с движением муравьев.

Каждая частица движется хаотически под действием температуры и одновременно с этим, все частицы смещаются в одном направлении в общем потоке под действием электрического поля.

Условия существования постоянного тока

Напомню, что ток называют постоянным, если его сила не изменяется со временем.

Для обозначения постоянного тока математики используют такую сокращенную запись:

[large boxed{ I = const }]

Чтобы ток мог существовать, нужно, чтобы выполнялись несколько условий.

Нужно, чтобы между телами, заряженными противоположно, непрерывно существовало электрическое поле. Так же, в цепи должны присутствовать свободные носители заряда. А сама электрическая цепь должна быть замкнутой.

Рассмотрим эти условия подробнее.

Создаем кратковременный ток и выясняем условия его существования

Можно создать электрический ток с помощью двух заряженных противоположно тел.

Ток – это движение зарядов. Поэтому, нужно обеспечить возможность зарядам двигаться. То есть, нужно создать между телами дорожку, по которой заряды начнут перемещаться из одного места пространства в другое.

Продемонстрировать возникновение тока на небольшой промежуток времени можно с помощью двух электрометров, заряженных противоположно.

Попробуем для начала соединить два заряженных тела куском диэлектрика (рис. 15).

Как видно, после соединения заряд каждого из электрометров не изменился.

Это значит, что ток не возник. Дело в том, что в диэлектрике все электроны связаны со своими атомами и свободных электронов нет.

Именно свободные заряды будут передвигаться и их согласованное направленное движение мы назовем электрическим током.

Поэтому, одним из условий существования тока будет наличие свободных зарядов. То есть, наличие проводника, содержащего такие заряды.

Условие 1. Чтобы ток существовал, требуется наличие свободных зарядов.

Однако, только лишь наличия проводника недостаточно. Действительно, в проводнике присутствуют свободные заряды. Но для того, чтобы эти заряды начали совместное движение в определенную сторону, нужно, чтобы на них подействовала сила, которая будет их передвигать в этом направлении.

Сила будет действовать на заряженную частицу, если ее поместить в электрическом поле.

Электрическое поле существует в пространстве вокруг заряженных тел.

Если соединить проводником два тела, имеющие противоположные заряды, то на свободные частицы в проводнике будет действовать электрическое поле. Это поле подхватит заставит двигаться электроны в определенном направлении.

Поэтому, еще одно условие для возникновения тока – это электрическое поле.

Условие 2. Чтобы ток существовал, требуется наличие электрического поля.

Ток течет в направлении движения положительных зарядов.

Соединив два заряженных металлических тела проводником, мы получим ток лишь на короткий промежуток времени. Это время будет составлять доли секунды.

Кроме того, в начальный момент времени сила тока будет самой большой. А далее будет убывать по мере того, как тела будут разряжаться и их потенциалы (ссылка) будут выравниваться.

Мы же хотим, чтобы ток протекал постоянно, или, по крайней мере, достаточно длительный промежуток времени, выбранный по нашему усмотрению. И чтобы во время протекания тока его сила не изменялась.

Как этого добиться? Мы вплотную приблизились к третьему условию существования постоянного электрического тока.

Как создать длительный ток и что для этого необходимо

Положительный заряд – это недостаток электронов, а отрицательный – это их избыток. В момент соединения тел проводником, отрицательные электроны устремились к положительно заряженному телу.

А в конце ток прекратился потому, что заряды тел скомпенсировались и тела превратились в электрически нейтральные. Нам известно, что нейтральные тела электрическое поле не создают.

Значит, ток существует до тех пор, пока существует электрическое поле. Поэтому, нужно каким-либо образом поддерживать электрическое поле. А для этого нужно, чтобы одно из тел обладало избыточным отрицательным зарядом. То есть, нужно поддерживать на одном из тел отрицательный, а на другом – положительный заряд. Пока заряды тел будут поддерживаться, ток будет существовать.

Чтобы на теле с положительным зарядом поддерживать этот заряд, нужно убирать с этого тела прибежавшие туда электроны и отправлять их обратно на отрицательно заряженное тело.

Такая схема по своему устройству напоминает фонтан, в котором насос поддерживает разность давлений. В нагнетающей воду трубе давление больше, чем в трубе, через которую вода поступает обратно в насос.

Именно благодаря этой разности, из одной трубы вода выплескивается вверх, а собранная в чашу вода попадает обратно в насос. При этом, по контуру циркулирует одно и то же количество воды, то есть, водяной контур замкнут. А ток воды в этом контуре поддерживается специальным устройством – насосом. Он совершает работу против силы тяжести.

Сторонние силы — что это такое

Подобно своеобразному насосу устроен источник тока. Внутри источника действуют сторонние силы. Они возвращают электроны на «-» контакт.

На заряды в электрическом поле будет действовать сила. Она называется силой Кулона и имеет электрическую природу. Электроны будут притягиваться к телу, имеющему положительный заряд.

Сила Кулона будет мешать возвращать электроны на отрицательное тело. Подобно силе тяжести, которая мешает воде в фонтане двигаться вверх.

Чтобы вернуть электроны на отрицательно («-») заряженное тело, нужно совершить работу против силы Кулона. Значит, должна присутствовать какая-то внешняя сила, возвращающая электроны на отрицательно («-») заряженное тело. Эта сила имеет неэлектрическую природу, она называется сторонней силой.

Теперь можно ответить на вопрос: Что такое источник тока?

Источник тока — это устройство, внутри которого сторонние силы перемещают заряды против сил Кулона. Сила Кулона – это сила, с которой электростатическое поле действует на заряд.

Во время существования электрического тока сами электроны не расходуются. Они, как вода в фонтане, циркулируют по замкнутой траектории.

Условие 3. Чтобы ток существовал длительно, электрическое поле нужно долговременно поддерживать.

Чтобы ток существовал постоянно, нужно, чтобы между заряженными противоположно телами электрическое поле существовало непрерывно.

Примечание: В качестве заряженных противоположно тел можно рассматривать контакты источника тока.

Для этого электроны нужно пропустить по замкнутому контуру, т. е. непрерывной электрической цепи. Поэтому, еще одно условие существования постоянного тока – это замкнутая электрическая цепь. Как только замыкается цепь, в направленное движение приходят все заряженные частицы, находящиеся в этой цепи.

Условие 4. Чтобы ток существовал, требуется, чтобы электрическая цепь была замкнутой.

В такой цепи заряды циркулируют по замкнутой траектории. То есть, заряд, вышедший из источника и совершивший полный оборот, попадет обратно в источник тока. Там он будет подхвачен сторонними силами и через противоположный вывод источника тока попадает обратно в цепь. Затем, будет двигаться далее и, совершит следующий круг. Поэтому, во время протекания электрического тока сами заряды не расходуются.

Во время протекания электрического тока заряды не расходуются. То есть, по замкнутой цепи двигаются одни и те же заряды. Совершив круг, они попадают в источник и, выходя из противоположного его вывода направляются обратно в цепь.

Нам известно, если на заряд действует сила и, под действием этой силы заряд перемещается, то эта сила совершает работу.

Это значит, что сторонние силы в источнике совершают работу. Подробнее о работе сторонних сил (ссылка).

Тут все достаточно просто, если не учитывать хаотического теплового движения электронов.

За интервал времени Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме SvΔt. Число таких электронов равно nSvΔt (n – концентрация электронов). Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд Δq=enSvΔt (e – заряд электрона).

В результате имеем

Количество свободных электронов будет примерно равно количеству атомов в единице объема. Количество атомов в единице объема можно посчитать, разделив плотность на массу одного атома. Массу атома смотрим в таблице или считаем.

Дальше подставляем значения в формулу и получаем результат.

Честно говоря мне лень считать и получать численное значение:) . Тем более, что вопрос звучит КАК рассчитать, т.е. численного ответа можно не писать. Значение будет примерно пара-тройка миллиметров в секунду.

Электрический ток. Сила тока

Подробности

Обновлено 13.08.2018 19:44

Просмотров: 879

«Физика – 10 класс»

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Благодаря электрическому току освещаются квартиры, приводятся в движение станки, нагреваются конфорки на электроплитах, работает радиоприемник и т. д.

Рассмотрим наиболее простой случай направленного движения заряженных частиц — постоянный ток.

Какой электрический заряд называется элементарным?

Чему равен элементарный электрический заряд?

Чем различаются заряды в проводнике и диэлектрике?

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда из одной точки в другую. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит (рис. 15.1, а). Поперечное сечение проводника в среднем пересекает одинаковое число электронов в двух противоположных направлениях. Электрический заряд переносится через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в направленном движении (рис. 15.1, б). В этом случае говорят, что по проводнику идёт электрический ток.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Электрический ток имеет определённое направление.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Направление тока совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электронов — отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах ещё ничего не знали.

Действие тока.

Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.

Во-первых, проводник, по которому идёт ток, нагревается.

Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника: например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).

В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным.

Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдается лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников.

В лампочке накаливания вследствие прохождения электрического тока излучается видимый свет, а электродвигатель совершает механическую работу.

Сила тока.

Если в цепи идёт электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника всё время переносится электрический заряд.

Заряд, перенесённый в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока.

Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то среднее значение силы тока равно:

Средняя сила тока равна отношению заряда Δq, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Сила переменного тока в данный момент времени определяется также по формуле (15.1), но промежуток времени Δt в таком случае должен быть очень мал.

Сила тока, подобно заряду, — величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений обхода контура принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.

Термин сила тока нельзя считать удачным, так как понятие сила, применяемое к току, не имеет никакого отношения к понятию сила в механике. Но термин сила тока был введён давно и утвердился в науке.

Связь силы тока со скоростью направленного движения частиц.

Пусть цилиндрический проводник (рис. 15.2) имеет поперечное сечение площадью S.

За положительное направление тока в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q₀. В объёме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием Δl между ними, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц (носителей тока). Их общий заряд в выбранном объёме q = q₀nSΔl. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью υ, то за время все частицы, заключенные в рассматриваемом объёме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэтому сила тока равна:

В СИ единицей силы тока является ампер (А).

Эта единица установлена на основе магнитного взаимодействия токов.

Измеряют силу тока амперметрами. Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.

Найдём скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле (15.2) где е — модуль заряда электрона.

Пусть, например, сила тока I = 1 А, а площадь поперечного сечения проводника S = 10^-6 м². Модуль заряда электрона е = 1,6 • 10^-19 Кл. Число электронов в 1 м³ меди равно числу атомов в этом объёме, так как один из валентных электронов каждого атома меди является свободным. Это число есть n ≈ 8,5 • 10²⁸ м^-3 (это число можно определить, если решить задачу 6 из § 54). Следовательно,

Как видите, скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала. Она во много раз меньше скорости теплового движения электронов в металле.

Условия, необходимые для существования электрического тока.

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.

Однако этого ещё недостаточно для возникновения тока.

Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определённом направлении.

Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за столкновений с ионами кристаллической решётки металлов или нейтральными молекулами электролитов и электроны будут двигаться беспорядочно.

На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой:

Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.
Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника в соответствии с формулой (14.21) существует разность потенциалов. Как показал эксперимент, когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток. Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала.

Источник: «Физика – 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Законы постоянного тока – Физика, учебник для 10 класса – Класс!ная физика

Электрический ток. Сила тока —
Закон Ома для участка цепи. Сопротивление —
Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников —
Примеры решения задач по теме «Закон Ома. Последовательное и параллельное соединения проводников» —
Работа и мощность постоянного тока —
Электродвижущая сила —
Закон Ома для полной цепи —
Примеры решения задач по теме «Работа и мощность постоянного тока. Закон Ома для полной цепи»