В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.
1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)
1.1 Пара общих слов по физике вопроса
Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки. Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню, данная статья — это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по «электронная теория проводимости»).
Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.
1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.
Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока.
Галилео | Электричество ⚡ Electricity
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунок ниже
На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь
В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающийперекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кранвентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть — сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды увеличится. Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.
Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.
Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью — ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома. ( «С красной строки. Подчеркни» (с))
2. Закон Ома.
Сначала c точки зрения генератора напряжения
Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока
Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R
Вот как-то надо этот момент осознать. Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно конечно еще записать R=U/I. Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R. Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто технические моменты. Что-то вроде
Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?
Используйте закон Ома и все!
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще — говорят «падение напряжения на резисторе», потому что «производит» напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.
Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.
1. Самая важная схема.
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни — это делитель напряжения.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))
3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.
Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.
Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.
Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).
Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.
Второй важный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)
Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.
Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.
Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!
В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.
Как возникает электрический ток
Понравилось? Поделитесь с друзьями:
- Блог для родителей
- Помощь
- Соглашение с пользователем
- О проекте
—>
Победитель Международного заочного конкурса «Надежда планеты» под эгидой Международной славянской академии наук, образования, искусств и культуры (МСА).
Что такое электрический ток
Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.
Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.
В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.
Все, что окружает человека, и он сам — это материальный мир, или материя, которая существует в различных формах. Одна из форм материи, из которой состоят все тела в природе (вода, различные металлы и т. д.), называется веществом.
Вещества, которые невозможно химическим путем разложить на отдельные химические элементы, называются простыми. Вещество, состоящее из нескольких элементов, называется сложным.
Все вещества состоят из мельчайших частиц-молекул, которые в свою очередь образуются из еще более меньших частиц, называемых атомами. В то же время в состав атомов входят другие, еще меньшие частицы, обладающие различными свойствами: ядро и электроны.
При бездействии сил электрического поля электроны в веществах находятся в беспорядочном движении. Происходит это потому, что во многих веществах, главным образом в металлах, электроны недостаточно сильно удерживаются ядром и могут свободно передвигаться от одного атома к другому.
Когда силы электрического поля начинают действовать, движение электронов принимает упорядоченное (направленное) состояние, возникает электрический ток. Отсюда электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электронов.
При упорядоченном движении электроны движутся от того места, где имеется их избыток, туда, где ощущается их недостаток, от минуса к плюсу. Однако исторически в электротехнике условно принято считать, что ток идет от плюса к минусу.
Скорость распределения тока близка к скорости света — 300000 км в секунду. Это не значит, что такой скоростью обладает каждый электрон в отдельности.
Скорость электрона в проводнике составляет лишь доли сантиметра или миллиметра в секунду. Но в результате действия электрического поля ток, возникающий в одном конце провода, мгновенно вызывает прохождение тока по всему проводнику.
Аналогичное явление происходит, например, в трубе, заполненной водой, на одном конце которой находится насос. В момент подачи насосом воды в трубу давление, возникающее в воде, мгновенно передается вдоль трубы от одних частиц к другим. Вода приходит в движение — течет.
Однако частицы воды, добавляемые насосом, дойдут до противоположного конца трубы гораздо позже момента начала вытекания ее из трубы. Численно ток измеряется количеством электрических зарядов, которые проходят через поперечное сечение провода в одну секунду.
Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод
Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током.
Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы.
Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.
Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.
Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой).
Генератор Ван Де Граафа:
Если электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц, то нужно найти ответ на вопрос, что приводит эти частицы в движение.
Причиной возникновения и поддержания электрического тока является электрическое поле. Величина этого поля определяется той работой, которую совершает сила электрического поля, перемещая 1 кулон электричества от одного конца проводника до другого.
Если рассмотреть некоторую замкнутую систему, в которой циркулирует вода, то в этой системе должен быть насос, который сообщает частицам воды энергию и заставляет их двигаться по трубопроводам. Частицы воды в процессе их циркуляции отдают полученную ими энергию (затрачивая ее, например, на преодоление сил трения). Когда же частицы воды вновь возвращаются к насосу, то в отличие от своего исходного состояния они обладают меньшей энергией.
Если уподобить электроны частицам воды, то аналогично можно представить себе процессы, протекающие в электрической цепи. В этом случае водяному насосу будет соответствовать некий «насос для электронов», или источник электрической энергии, а трубопроводам будут соответствовать провода. Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что в электрической цепи электроны не производятся, а просто в каждом проводнике имеются свободные высокоподвижные электроны.
Если на некотором участке цепи носители зарядов получают энергию, то принято говорить, что этот участок цепи — источник, развивающий электродвижущую силу (ЭДС).
Итак, в электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи.
Электродвижущая сила является причиной, приводящей в движение электрические заряды, и определяется энергией, которая затрачивается на перемещение единичного электрического заряда.
В то же время источник энергии, перемещая заряд по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением, совершает работу как на внутреннем участке цепи, так и на внешнем. Следовательно, на этих участках будут возникать напряжения, которые называются падением напряжения на определенном участке.
Поэтому понятие «электродвижущая сила» включает в себя также сумму падений напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи источника электроэнергии.
Напряжение и ток — два электрические явления, взаимосвязанные друг с другом. Ток будет протекать по проводнику лишь при наличии разности потенциалов между концами проводника. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.
Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного.
Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.
Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.
Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля. Смотрите — условия существования электрического тока.
В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение «свободных» электронов, причем электроны движутся в направлении, противоположном условному направлению тока (т. к. за направление тока условно принято направления движения зарядов).
Электрический ток в газах представляет собой движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) в другом направлении. Наконец, электрический ток в электролитах представляет собой движение существующих в жидкости положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях.
Сила электрического тока — количество электричества, прошедшее через все поперечное сечение тока за 1 сек., зависит, с одной стороны, от количества движущихся зарядов, а с другой — от средней скорости их регулярного движения.
В металлических проводниках количество движущихся зарядов (свободных электронов) чрезвычайно велико (порядка 10 23 в 1 см 3 ), но зато средняя скорость регулярного движения очень мала (при самых сильных токах, которые может выдержать проводник, эта средняя скорость имеет величину порядка сантиметра в секунду). Обычно несколько меньше количество движущихся зарядов в жидкостях и соответственно их средние скорости несколько больше.
В газах же вследствие их гораздо меньшей плотности и вследствие того, что только небольшая доля всех молекул газа оказывается ионизированной, количество движущихся зарядов гораздо меньше, но зато средние скорости движения электронов и ионов гораздо больше, чем в металлических проводниках, и достигают сотен и даже тысяч километров в секунду.
Понятие «электрический ток» ввел итальянский физик Алессандро Вольта. Электрический ток, или по его версии «электрический флюид» протекал в замкнутой цепи, соединяющей металлическим проводником крайние кружки вольтова столба.
«Вотльтов столб» (1800 г.) был первый источник электричества неэлектростатического типа (источник постоянного электрического тока), который состоял из чередующихся между собой медных и цинковых кружков, разделенных суконными прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой.
Существование неизменного высокого потенциала на вольтовом столбе было явлением для того времени совершенно новым. Это был первый химический источник электричества, потенциал которого был постоянен во времени и не требовал каких-либо приемов электризации для его возобновления.
Вольтов столб, составленный из большого количества кружков, имел на концах достаточно высокий потенциал, который можно было обнаружить не только измерительными приборами (в частности электроскопом), но и прикоснувшись к крайним кружкам руками. При этом ощущался сильный электрический удар, как от лейденской банки.
Открытие Вольты очень быстро распространилось в физике, стало предметом дальнейших исследований. В 1800 г. ученые-физики с помощью вольтова столба обнаружили электрохимическое действие тока, и в частности разложение под действием тока воды на кислород и водород. Опыты с гальваническими элементами позволили обнаружить, кроме химических, и другие новые свойства тока, в том числе его тепловое и магнитное действие.
Французский физик А. М. Ампер посвятил ряд своих работ изучению связи электрического тока и магнетизма. Он обнаружил, что два проводника с током испытывают взаимное воздействие — притяжение или отталкивание в зависимости от направления в них токов. Своими работами он заложил основы электродинамики.
Он предложил термин «электрический ток» и ввел понятие о его направлении, совпадающем с движением положительного электричества. В честь А. М. Ампера названа единица измерения электрического тока. Ампер является одной из семи основных единиц системы СИ.
Электрический ток обладает рядом свойств, которые могут быть эффективно использованы во многих практических случаях. К таким свойствам относятся трансформация простыми техническими средствами энергии электрического тока в энергию других видов (тепловую, световую, механическую, химическую) и возможность передачи ее на большие расстояния, быстрота распространения.
Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы
Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.
Обрати внимание!
Условия существования электрического тока:
• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.
Электрическое поле создают источники электрического тока.
Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.
Существуют различные виды источников тока:
• Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.
Рис. (1). Электрофорная машина
Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.
• Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.
Рис. (2). Тепловой источник тока
К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.
• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.
Рис. (3). Световой источник тока
При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
• Химический источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую в результате протекающих химических реакций.
Примером такого источника является гальванический элемент.
Рис. (4). Химический источник тока
Угольный стержень У (с металлической крышкой М) помещают в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С, а затем в цинковый сосуд Ц. Оставшееся пространство заполняют желеобразным раствором соли Р. При протекании химической реакции цинк заряжается отрицательно (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно (положительный электрод). Между заряженным угольным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.
Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.
Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В металлогидридных аккумуляторах отрицательный электрод состоит из порошкообразного железа, а положительный из гидроокиси никеля с добавками графита и окиси бария. Электролитом служит раствор едкого калия с добавками моногидрата лития.
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие.
Элементы электрической цепи:
- источник напряжения;
- потребители: резисторы, лампы, реостат.
- измерительные приборы: вольтметр, амперметр, ваттметр, омметр;
- соединительные провода;
- ключи для размыкания и переключения цепи.
Для поддержания электрического тока в цепи необходимы источники электрической энергии: источники электрического тока, источники электрического напряжения.
Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением.
Источник электрического тока — двухполюсник, создающий ток постоянного значения, не зависящего от значения сопротивления на подключенной нагрузке. Внутреннее сопротивление такого источника приближается к бесконечности.
Необходимое условие существования тока — замкнутая цепь! Это означает, что все элементы цепи должны быть проводниками электричества и в цепи не должно быть разрывов. В случае размыкания цепи ток прекращает течь. Именно размыкание цепи и лежит в основе работы всех реле, кнопок и выключателей.
Порядок сборки электрической цепи указывается на специальном чертеже, который принято называть схемой.
Свободные электроны
То есть эти овцы, которые дальше всех находятся от пастуха, более свободны, чем те, которые находятся рядом с пастухом. Назовем их просто свободными. По аналогии с электричеством – свободные электроны. Такими «овцами» в металлах мы будет называть свободные электроны, которые находятся дальше всех от пастуха (ядра). Чем дальше электрон от ядра, тем меньше он зависим от ядра. То есть он отрывается от ядра и стает абсолютно свободным.
Электрический ток
Как я уже сказал, этих пастухов с овцами в веществах миллиарды. Следовательно, овец, которые находятся очень далеко от пастуха, еще больше. И вот эти самые овцы гуляют подальше от пастухов и в любой момент могут дать дёру.
Теперь представьте такую ситуацию. Где-то недалеко от этих пастухов находится большое колхозное поле со свежей капустой. И как только свободные овцы это дело просекли («а почему бы нам не сБЕ-БЕ-БЕжать и полакомиться капустой?»), сразу же всей толпой двинулись «покорять» это поле!
В результате возник поток овец, которые движутся в одну сторону.
Все те же самые процессы происходят и в металле. Как только все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении, возникнет электрический ток:
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, чаще всего электронов, в одном направлении. По аналогии с гидравликой, электроны — это молекулы воды. Электрический ток — поток воды. Думаю, этого пока будет достаточно. Одними словами сыт не будешь, поэтому давайте нарисуем рисунок, чтобы порадовать глаза:
В данный момент шланг валяется где-нибудь в огороде и в нем осталась вода. Шланг никуда не подключен, то есть молекулы воды в шланге находятся в неподвижном состоянии.
По аналогии с электроникой, медный проводок лежит на столе и никуда не подключен.
Но вот настал вечер. Надо полить помидоры и огурцы, иначе к зиме останетесь без закуски. Как только мы открываем кран, вода в шланге начинает движуху:
Теперь вопрос на засыпку: почему когда мы открыли краник, вода побежала по шлангу? Создалось давление… молекулы что левее стали давить на молекулы что правее и движуха началась. Но кто толкал те молекулы, которые толкали молекулы? Это либо насос, либо вода в водобашне под воздействием гравитационной силы Земли.
В электронике электроны толкает так называемая ЭДС. В любой электрической схеме есть тот самый «насос», который толкает электроны по проводкам и радиоэлементам. Он может находится в самой схеме, либо подключаться в схему извне. Как только электроны начинают движуху в проводке в одном направлении, то можно уже сказать, что в проводке стал течь электрический ток.
Электрический ток
Электри́ческий ток, упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В различных средах электрический ток может создаваться разными носителями электрического заряда . Так, например, в металлах электрический ток обусловлен движением свободных электронов (электронов проводимости), в полупроводниках – свободных электронов и положительно заряженных дырок, в электролитах – положительных и отрицательных ионов . Электрический ток характеризуют вектором плотности электрического тока j = n q v j = nqv j = n q v , где n n n – концентрация заряженных частиц, q q q – заряд одной частицы, v v v – средняя скорость упорядоченного движения частиц. Направление j j j совпадает с направлением скорости положительных зарядов. Электрический ток через произвольную поверхность S S S можно также характеризовать силой тока I I I , которая равна: I = ∫ s j n d S I = int_j_ dS I = ∫ s j n d S , где j n j_n j n – проекция вектора j j j на нормаль к элементу поверхности d S dS d S ; интегрирование производится по всей поверхности S S S .
Различают электрический ток проводимости и конвекционный. Первый – это движение заряженных частиц внутри макроскопических тел, второй – движение макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных частиц пыли или маленьких капель). Различают постоянный электрический ток (сила тока и его направление не изменяются со временем) и переменный (сила тока или его направление зависят от времени). Частным случаем переменного электрического тока является квазистационарный электрический ток – относительно медленно изменяющийся переменный электрический ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов ( закон Ома , правила Кирхгофа ).
Опубликовано 29 марта 2023 г. в 16:23 (GMT+3). Последнее обновление 29 марта 2023 г. в 16:23 (GMT+3). Связаться с редакцией
Информация
Области знаний: Электрический ток
Электродвижущая сила ЭДС
Главной задачей любого источника питания является образование и поддерживание на выводах, называемых электродами, постоянное значение разноименных зарядов. Чем большее число зарядов, тем сильнее они стремятся притянуться друг к другу и поэтому интенсивней перемещаются по электрической цепи. А сила, которая заставляет двигать электроны по цепи, называется электродвижущая сила или сокращенно ЭДС. Электродвижущая сила измеряется в вольтах [В]. ЭДС новой (не разряженной) батарейки чуть больше 1,5 В, а кроны – чуть больше 9 В.
Количественно оценить значение электрического тока наглядно на примере водопроводной трубы. Мысленно представим воду в виде набора маленьких капелек, имеющих одинаковые размеры. Теперь возьмем и разрежем в каком-либо месте трубу и установим счетчик капелек воды. Далее откроем кран и засечем время, например одну минуту. После отсчета времени снимем показания счетчика. Допустим, за одну минуту счетчик зафиксировал 1 миллион капель. Отсюда мы делаем вывод, что расход воды составляет миллион капель за минуту. Если мы увеличим напор воды – заставим насос качать ее быстрее, — то возрастет давление воды, при этом капельки начнут перемещаться интенсивней и соответственно возрастет расход воды.
Сила электрического тока
Аналогичным образом определяется сила электрического тока. Если мысленно разрезать провод, соединяющий генератор с нагрузкой и установить счетчик, то мы получим расход электронов за единицу времени, — это есть сила тока.
С ростом электродвижущей силы генератора электроны интенсивнее проходят по цепи, а сила тока возрастает.
Поскольку известен заряд электрона и их суммарное количество, прошедшее через поперечное сечение проводника за единицу времени, то можно количественно определить силу тока.
Заряд одного электрона имеет очень малую величину, а в электрическом токе их участвует огромное число. Поэтому за единицу электрического заряда приняли 628∙10 16 , то есть 6280000000000000000 зарядов электрона. Такая величина электрического заряда получила название кулон, сокращенно [Кл].
Единица измерения силы тока называется ампер [А]. Сила тока равна одному амперу, когда через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит суммарный электрический заряд, величиной в один кулон.
Если за одну секунду по проводнику проходит в два раза больше электронов, то I равна 2 ампера.
В проводнике, выполненном из металла, например меди или алюминия, образуются множество свободных эле-нов. Они легко покидают атомы кристаллической решетки металла и свободно перемещаются в межатомном пространстве. Однако гуляют они не долго, поскольку мгновенно притягивается другим положительно заряженным атомом, который потерял аналогичный эле-н. Поэтому по умолчанию ток через проводник не протекает. Кроме того свободные эл-ны не имеют упорядоченного движения, а хаотически перемещаются в межатомном пространстве. Такое, не имеющее четкого направления, перемещение называют Броуновским движением. С ростом температуры интенсивность движения увеличивается.
Чтобы протекал I нужно на одном конце проводника создать недостачу эл-нов, а на втором их избыток, то есть подключить разноименные полюса источника питания. Тогда электрическое поле источника питания создаст такую электродвижущую силу, которая заставит эл-ны в проводнике перемещаться в строго одном направлении. Поэтому электрическим током называют упорядоченное движение зарядов под действием внешнего электрического поля. Такая возможность эл-нов перемещаться в заданном направлении, преодолев хаотическое движение, появляется за счет сообщения им дополнительной энергии от электрического поля источника ЭДС.
