Как найти заряд проводника через время

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ. где q — заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t,

где S – площадь поперечного сечения проводника; — нормаль к поверхности сечения проводника.

Связь плотности тока со средней скоростью <u> направленного движения заряженных частиц:

где е – заряд частицы.

а) для участка цепи, не содержащего ЭДС:

где j₁ — j₂ = U – разность потенциалов (напряжений) на концах участка цепи; R – сопротивление участка;

б) для участка цепи, содержащего ЭДС:

где x — ЭДС источника тока; R – полное сопротивление участка (сумма внешних и внутренних сопротивлений);

в) для замкнутой (полной) цепи

где R – внешнее сопротивление цепи; r – внутреннее сопротивление

где — алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле;

где — алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивление участка; — алгебраическая сумма ЭДС.

Сопротивление R и проводимость G проводника:

где r — удельное сопротивление; s — удельная проводимость; — длина проводника; S – площадь поперечного сечения проводника.

Сопротивление системы проводников:

а) при последовательном соединении

б) при параллельном соединении

где R_i – сопротивление i-того проводника.

Работа электрического тока:

Первая формула справедлива для любого участка цепи, на концах которого поддерживается напряжение U, последние две – для участка, не содержащего ЭДС, t – время.

Закон Ома в дифференциальной форме:

где s — удельная проводимость; напряженность электрического поля; — плотность тока.

Связь удельной проводимости с подвижностью b заряженных частиц (ионов):

где q – заряд иона; n – концентрация ионов, b₊и b_— — подвижности положительных и отрицательных ионов.

Связь магнитной индукции с напряженностью магнитного поля:

где m — магнитная проницаемость изотропной среды; m₀ – магнитная постоянная (m₀ = 4p . 10 -7 Гн/м). В вакууме m = I, и тогда магнитная индукция в вакууме

где dB – магнитная индукция поля, создаваемого элементом проводника длиной dl с током I; — радиус-вектор, направленный от элемента проводника к точке, в которой магнитная индукция вычисляется; a — угол между радиусом-вектором и направлением тока в элементе проводника.

Магнитная индукция в центре кругового тока:

где R – радиус кругового витка.

Магнитная индукция на оси кругового тока:

где h – расстояние от центра витка до точки, в которой вычисляется магнитная индукция.

Магнитная индукция поля бесконечно длинного проводника с током:

где r₀ – расстояние от оси проводника до точки, в которой вычисляется магнитная индукция.

Магнитная индукция поля, создаваемого отрезком провода с током (рис.1,а):

Обозначения ясны из рисунка. Направление вектора магнитной индукции обозначено точкой – это значит, что направлен перпендикулярно плоскости чертежа к нам.

При симметричном расположении концов провода относительно точки, в которой определяется магнитная индукция (рис.1,б), cos , тогда

· — Магнитная индукция поля соленоида:

где n – число витков соленоида, приходящееся на единицу длины.

· Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, закон Ампера:

где — длина проводника, a — угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции . Это выражение справедливо для однородного магнитного поля прямого отрезка проводника. Если поле неоднородно и проводник не является прямым, то закон Ампера можно применить к каждому элементу проводника в отдельности:

· Сила взаимодействия параллельных проводов с током:

где d – расстояние между проводниками.

· Магнитный момент контура с током:

где S – площадь контура; вектор — численно равен площади S контура и совпадает по направлению с вектором нормали к плоскости контура; I – сила тока, протекающего по контуру.

· Механический (вращательный) момент, действующий на контур с током, помещенный в однородное магнитное поле:

где a — угол между векторами .

· Потенциальная энергия контура с током в магнитном поле:

За нулевое значение потенциальной энергии контура с током в магнитном поле принято расположение контура, когда вектор перпендикулярен .

· Отношение магнитного момента к механическому L (моменту импульса) заряженной частицы, движущейся по круговой орбите:

где q – заряд частицы; m – масса частицы.

где — скорость заряженной частицы; a — угол между векторами .

Если частица находится одновременно в электрическом и магнитном полях, то под силой Лоренца понимают выражение:

а) в случае однородного магнитного поля и плоской поверхности

Ф=ВСcosa или Ф= B_nS,

где S – площадь контура; a — угол между нормалью к плоскости контура и вектором магнитной индукции;

б) в случае неоднородного поля и произвольной поверхности

интегрирование ведется по всей поверхности.

· Потокосцепление (полный поток):

Эта формула верна для соленоида и тороида с равномерной намоткой плотно прилегаюших друг к другу N витков.

· Работа по перемещению замкнутого контура в магнитном поле:

где знак «минус» обусловлен правилом Ленца: индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению основного магнитного поля.

· Разность потенциалов на концах проводника, движущегося со скоростью в магнитном поле:

где — длина проводника; a — угол между векторами .

· Заряд, протекающий по замкнутому контуру при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур:

где R – сопротивление контура.

где n – число витков, приходящихся на единицу длины соленоида, V – объем соленоида.

· Мгновенное значение силы тока в цепи, обладающей сопротивлением R и индуктивностью L:

а) при замыкании цепи:

где x — ЭДС источника тока; t – время, прошедшее после замыкания цепи;

б) при размыкании цепи:

где I₀ – значение силы тока в цепи при t = 0; t – время, прошедшее с момента размыкания цепи.

· Энергия магнитного поля:

· Объемная плотность энергии магнитного поля (энергия, заключенная в единице объема):

где В – магнитная индукция; Н – напряженность магнитного поля.

Где и как распределяются заряды в проводнике?

Проводником электричества является любое вещество, у которого присутствуют свободные отрицательные или положительные заряды. У металлов носителями зарядов являются электроны. Рассматривая вопрос о распределении зарядов в проводнике мы, по умолчанию, будем ссылаться на металлические тела. Но все выводы, касающиеся перераспределения зарядов в металлах, справедливы и для других типов веществ, с наличием свободных носителей положительных ионов.

Носители зарядов и их движение

При отсутствии электрического поля свободные точечные заряды пребывают в равновесии. Они осуществляют колебания, взаимодействуя между собой и с ионами такого же, либо противоположного знака. Однако картина равновесия вмиг нарушается при попадании металла в электрическое поле. На заряженном проводнике возникает электрическое смещение.

Под действием кулоновских сил происходит перераспределение электронов в металлическом теле. Перемещению зарядов способствует напряжённость поля, действующая на носители заряженных частиц разных знаков, но в разных направлениях.

В результате этого воздействия заряженные частицы устремляются в противоположные стороны. Точнее, в металлах происходит только перемещение электронов, которые скапливаются на поверхности с одной стороны.

Положительные ионы, связанные атомными силами кристаллической решётки не перемещаются, но поскольку электроны устремились в одну сторону, то на другой стороне проводника преобладают дырки (положительно заряженные ионы) (см. рис. 1). Таким образом, можно утверждать, что электроны и положительные ионы под действием электрического поля распределяются в противоположных направлениях на поверхности тел. То есть, заряды стремятся к равновесному распределению.

Рис. 1. Распределение зарядов в проводнике

Процесс распределения частиц продолжается до тех пор, пока не уравновесится их взаимодействие внешних и внутренних сил. То есть, пока сумма напряжённостей внешнего электрического поля не уравняется с внутренней напряжённостью. Данный процесс длится доли секунды. Если плотность энергии не меняется, а металл остаётся в спокойствии, то равновесие сил является константой.

Учитывая направления внешних векторов напряженности и внутренних сил, действующих на проводник, можно записать:

Результирующий вектор напряженности

Нулевое значение напряжённости поля означает, что внутренний потенциал тела компенсируется действием внешних сил:

Если в электрическое поле поместить металлический шар, то все статическое электричество на его поверхности будет иметь одинаковый потенциал. Такие поверхности получили название эквипотенциальных поверхностей. Заряды, скопившиеся под действием сил напряжённости поля, называются индуцированными или избыточными. Наличие избыточных зарядов характерно для всех типов проводников, оказавшихся в электрическом поле.

Рассуждения, приведённые выше, справедливы также для веществ со свободными ионами разных знаков (растворы солей и кислот). В результате такого распределения заряды также располагаются на противоположных концах токопроводящего тела. При этом равенство, записанное выше, сохраняется.

Рис. 2. Выводы

Ещё одно важное свойство проводников: при сообщении им дополнительных зарядов, собственные заряженные частицы распределяются так, чтобы восстановилось равновесие. Например, при добавлении отрицательных зарядов, последние будут противодействовать избыточным электронам, стремясь занять их место на поверхности тела.

Если же создать условия для отвода избыточных заряженных частиц (при сохранении притока новых), например, заземлить кондуктор, то возникнет электрический ток. Причём перемещение заряженных частиц будет проходить по поверхности металла, но не внутри его, как можно было бы ожидать.

Электроемкость уединенного проводника

Рассмотрим отдельно взятый проводник, удалённый от других заряженных тел. Такие токопроводящие тела называют уединёнными. В результате электростатической индукции на поверхности уединённого проводника возникает статическое электричество. Количество индуцированных зарядов зависит от уровня напряжённости внешнего поля.

Потенциал на таком проводнике зависит от его заряда (φ): Q=Cφ, откуда

С = Q/φ , где C – электроёмкость.

Ёмкостью уединённого проводника называют заряд, сообщение которого изменяет потенциал этого тела на единицу. На ёмкость влияет размер и форма токопроводящего тела. Но ёмкость не зависит от агрегатного состояния и на неё не влияет форма и размер внутренних полостей.

Если уединённому проводнику сообщить некий дополнительный заряд, то в течение некоторого времени он будет сохраняться. Количество электричества, которые способен удержать уединённый проводник, зависит от его формы и площади поверхности. Наибольшую ёмкость имеют сферические образования, так как площадь поверхности сферы на единицу объёма самая большая.

Два уединённых проводника разделённые диэлектриком образуют конденсатор. При этом электроемкость конденсатора C_конд = Q/(φ₁ – φ₂), где ( φ₁ – φ₂ ) разница потенциалов между обкладками. Индуцированные заряды с обкладок заряженного конденсатора можно снять на нагрузку, подключённую к выводам обкладок.

Распределение зарядов и форма тела

Как было замечено выше, распределение зарядов зависит от формы тела. Больше всего статического электричества собирается на выступах, особенно на острых концах (см. рис. 3, 4).

Рис. 3. Форма тела и распределение статического электричества Рис. 4. Распределение статического электричества на кондукторе

Как видно из рисунка 4 плотность распределения зарядов на вогнутых поверхностях минимальна. Электростатическое поле сплошных и полых проводников не отличается, если их поверхности идентичны. Другими словами все токопроводящие тела с одинаковыми поверхностями обладают одинаковыми поверхностными плотностями.

На сферических поверхностях статическое электричество распределяется равномерно. Ёмкость конденсатора (сферического) вычисляют по формуле:

Емкость сферического конденсатора

где R₁ и R₂ – внешний и внутренний радиусы сферического конденсатора.

Распределение статического электричества на сфере иллюстрирует рисунок 5. Обратите внимание на то, что внутри сферического тела, как впрочем, и любого другого, заряды отсутствуют: вектор E=0, φ=const.

Рис. 5. Распределение заряженных частиц на сфере

Вы, наверно, слышали о клетке Фарадея. Человек, находящийся в замкнутом пространстве из токопроводящего материала, то есть в клетке, не ощущает на себе влияния мощных разрядов. Статическое электричество стекает по поверхностям стенок клетки на землю, и не могут попасть внутрь клетки.

Электрический ток

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:

Подставим в формулу такие числовые значения:

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

(large k = 1,38 cdot 10^ left( frac>right) ) – постоянная Больцмана;

(large m = 9,1 cdot 10^ left(textright) ) – масса электрона;

После расчетов получим скорость, примерно равную

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 ) 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 ), 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 = pi cdot frac> = pi cdot R^ >]

(large S_ left( text^ right)) – площадь круга;

(large pi approx 3,14) – число Пи;

(large D left(textright)) – диаметр круга;

(large R left(textright)) – 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.

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

(large Delta q left( textright) ) – заряд в Кулонах, прошедший через поперечное сечение проводника;

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

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^ ) 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_) заряд каждого электрона.

Заряды в проводнике, под действием электрического поля напряженностью (large vec ) 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( textright) ) – расстояние между двумя поперечными сечениями;

(large v left( frac>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:

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^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 left( frac>^>right) ) – концентрация зарядов в объеме;

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

[large Delta q = e_ cdot N]

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

[large Delta q = e_ cdot N cdot 1 = e_ cdot N cdot frac]

Числитель V дроби и количество N частиц поменяем местами.

[large Delta q = e_ cdot V cdot frac]

Подставим в эту формулу выражение для объема:

[large Delta q = e_ cdot S cdot Delta x cdot frac]

Дробь в правой части заменим символом «n» концентрации:

[large Delta q = e_ cdot S cdot Delta x cdot n]

Средняя скорость совместного направленного движения зарядов (large v).

Применим определение силы тока:

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

[large I = frac = frac cdot S cdot Delta x cdot n> ]

Выражение для удобства можно переписать так:

[large I = e_ cdot S cdot Delta x cdot ncdot frac ]

Мы заранее выразили время (large Delta t ):

Найдем для него обратную величину:

Подставим ее в формулу для тока:

[large I = e_ cdot S cdot Delta x cdot n cdot frac ]

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 cdot S cdot n cdot >]

Теперь можно утверждать, что

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

Расчет скорости направленного движения электронов

Для этого можно использовать полученную формулу:

[large I = e_ cdot S cdot n cdot ]

Из нее можно выразить скорость:

[large boxed 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^ left( text^right) ]

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

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_ = 1,6 cdot 10^ left(textright) ]

Предположим, в проводнике протекает ток силой 1 Ампер.

Тогда, скорость движения электронов:

[large v = 7 cdot 10^ left( frac>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) – равна скорости света:

[large c = 3 cdot 10^ left( frac> 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:

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).