Какие условия необходимы для возникновения и поддержания электрического тока

Электричество играет колоссальную роль в нашей повседневной жизни. Но что же лежит в основе этого удивительного явления природы? Давайте разберемся в том, при каких условиях возникает электрический ток. Это поможет нам лучше понять суть явления и научиться безопасно применять электроэнергию в быту и на производстве.

Что такое электрический ток? Определение понятия

Само слово «ток» подразумевает некое движение или течение. Действительно, еще в XIX веке ученые представляли электрический заряд как особую жидкость, которая течет по проводникам. Хотя современные знания опровергают это представление, термин «электрический ток» сохранился.

Согласно современным представлениям, электрический ток — это упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Эти движущиеся частицы называются носителями электрического заряда.

Электрический ток – это направленное движение электрического заряда. Поскольку заряд не существует отдельно от носителя, ток можно определить как направленное движение заряженных частиц.

Физика — ответы на экзамен 1-29 / Электрический ток, условия его существования

Электрический ток — упорядоченное по направлению движение электрических зарядов. За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:

магнитным (наблюдается во всех проводниках)

тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников)

химическим (наблюдается в электролитах).

УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:

наличие в среде свободных электрических зарядов

создание в среде электрического поля.

В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.

Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы).

Условия необходимые для возникновения и поддержания электрического тока — Корнева Т.С.

Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.

Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока

1. Сила тока — I, единица измерения — 1 А (Ампер).

Силой тока называется величина, равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Формула (1) справедлива для постоянного тока, при котором сила тока и его направление не изменяются со временем. Если сила тока и его направление изменяются со временем, то такой ток называетсяпеременным.

Для переменного тока:

I = lim q/t , (*) t — 0

т.е. I = q’, где q’ — производная от заряда по времени.

2. Плотность тока — j, единица измерения — 1 А/м 2 .

Плотностью тока называется величина, равная силе тока, протекающего через единичное поперечное сечение проводника:

3. Электродвижущая сила источника тока — э.д.с. (  ), единица измерения — 1 В (Вольт). Э.д.с.- физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:

4. Сопротивление проводника — R, единица измерения — 1 Ом.

Под действием электрического поля в вакууме свободные заряды двигались бы ускоренно. В веществе они движутся в среднем равномерно, т.к. часть энергии отдают частицам вещества при столкновениях.

Теория утверждает, что энергия упорядоченного движения зарядов рассеивается на искажениях кристаллической решетки. Исходя из природы электрического сопротивления, следует, что

l — длина проводника, S — площадь поперечного сечения,  — коэффициент пропорциональности, названный удельным сопротивлением материала.

5. Напряжение — U , единица измерения — 1 В.Напряжение — физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними и электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда.

Физика — ответы на экзамен 1-29 / Электрический ток, условия его существования

Электрический ток — упорядоченное по направлению движение электрических зарядов. За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:

магнитным (наблюдается во всех проводниках)

тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников)

химическим (наблюдается в электролитах).

УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:

наличие в среде свободных электрических зарядов

создание в среде электрического поля.

В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.

Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы).

Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.

Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока

1. Сила тока — I, единица измерения — 1 А (Ампер).

Силой тока называется величина, равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Формула (1) справедлива для постоянного тока, при котором сила тока и его направление не изменяются со временем. Если сила тока и его направление изменяются со временем, то такой ток называетсяпеременным.

Для переменного тока:

I = lim q/t , (*) t — 0

т.е. I = q’, где q’ — производная от заряда по времени.

2. Плотность тока — j, единица измерения — 1 А/м 2 .

Плотностью тока называется величина, равная силе тока, протекающего через единичное поперечное сечение проводника:

3. Электродвижущая сила источника тока — э.д.с. (  ), единица измерения — 1 В (Вольт). Э.д.с.- физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:

4. Сопротивление проводника — R, единица измерения — 1 Ом.

Под действием электрического поля в вакууме свободные заряды двигались бы ускоренно. В веществе они движутся в среднем равномерно, т.к. часть энергии отдают частицам вещества при столкновениях.

Теория утверждает, что энергия упорядоченного движения зарядов рассеивается на искажениях кристаллической решетки. Исходя из природы электрического сопротивления, следует, что

l — длина проводника, S — площадь поперечного сечения,  — коэффициент пропорциональности, названный удельным сопротивлением материала.

5. Напряжение — U , единица измерения — 1 В.Напряжение — физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними и электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда.

Направленность движения частиц

Необходимым условием существования электрического тока является направленное, а не хаотическое движение частиц. Ведь сами по себе электроны в металле постоянно совершают хаотичное тепловое движение со скоростями порядка сотен метров в секунду.

Однако их чисто тепловое движение не порождает электрический ток, так как оно разнонаправленно и суммарное перемещение частиц равно нулю. А для возникновения тока движение должно быть направленным.

При этом тепловое хаотическое движение не прекращается, а накладывается на направленное движение частиц. В результате складывания этих двух видов движения возникает суммарный сдвиг частиц и наблюдается электрический ток.

Скорость движения заряженных частиц

Хотя тепловая скорость электронов в металле очень велика, их направленная скорость при наличии электрического тока сравнительно невелика — порядка долей миллиметра в секунду.

Не следует путать эту скорость перемещения отдельных электронов со скоростью распространения электрического тока как такового. Сам ток возникает практически мгновенно по всей протяженности проводника.

Это можно проиллюстрировать на примере течения воды в трубе. Пусть в трубе длиной 1 метр течет вода со скоростью 10 см/с. Это не значит, что за 1 секунду вода протечет только на 10 см. На самом деле она сразу начнет течь по всей трубе со скоростью 10 см/с в каждой точке.

Ночной город с неоновой подсветкой

Условия существования электрического тока

Для начала ответим себе на вопрос, что такое электрический ток. Простая батарейка, стоящая на столе, сама по себе ток не создает. И фонарик, лежащий на столе, ток через свои светодиоды просто так, ни с того ни с сего, не создаст. Чтобы появился ток, что-то куда-то должно потечь, хотя бы начать двигаться, а для этого цепь из светодиодов фонарика и батарейки необходимо замкнуть. Не даром, в былые времена электрический ток сравнивали с движением некой заряженной жидкости.

На самом деле мы теперь знаем, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, и что более близким к реальности аналогом был бы заряженный газ, — газ заряженных частиц, движущийся под действием электрического поля. Но обо всем по порядку.

Фанарик и батарейка

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц

Итак, электрический ток — это движение заряженных частиц, но даже хаотичное движение заряженных частиц — это тоже движение, однако оно еще не является током. Так и молекулы жидкости, все время пребывающие в тепловом движении, течения не создают, ведь суммарное перемещение всего объема покоящейся жидкости ровно нулю.

Чтобы возникло течение жидкости, должно возникнуть суммарное перемещение, то есть общее движение молекул жидкости должно стать направленным. Так хаотичное движение молекул сложится с направленным движением всего объема, и возникнет течение всего объема жидкости.

Аналогично обстоит дело и с электрическим током — направленное движение электрически заряженных частиц — есть электрический ток. Скорость теплового движения заряженных частиц, например в металле, измеряется сотнями метров в секунду, однако при направленном движении, когда в проводнике установлен какой-то определенный ток, скорость общего движения частиц измеряется долями и единицами миллиметров в секунду.

Так, если в металлическом проводнике сечением 1 кв.мм течет постоянный ток равный 10 А, то средняя скорость упорядоченного движения электронов составит от 0,6 до 6 миллиметров в секунду. Это уже будет электрическим током. И этого медленного движения электронов достаточно, чтобы проводник, например из нихрома, неплохо разогрелся, повинуясь закону Джоуля-Ленца.

Скорость частиц — это не скорость распространения электрического поля!

Отметим, что ток начинается в проводнике почти мгновенно по всему объему, то есть распространяется это «движение» по проводнику со скоростью света, а вот движение непосредственно самих заряженных частиц в 100 миллиардов раз медленнее. Можно рассмотреть аналогию с трубой, по которой течет жидкость.

Движется по трубе, 10 метров длиной, например вода. Скорость воды всего 1 метр в секунду, но течение распространяется не с этой же скоростью, а значительно быстрее, и скорость распространения зависит здесь от плотности жидкости и от ее упругости. Так и по проводнику электрическое поле распространяется со скоростью света, а частицы начинают двигаться на 11 порядков медленнее. Смотрите также: Скорость электрического тока

Наличие заряженых частиц

1. Для существования электрического тока необходимы заряженные частицы

Электроны в металлах и в вакууме, ионы в растворах электролитов — служат носителями заряда и обеспечивают наличие тока в разных веществах. В металлах электроны очень подвижны, некоторые из них свободно могут двигаться от атома к атому, словно газ заполняя пространство между узлами кристаллической решетки.

В электронных лампах электроны покидают катод в процессе термоэлектронной эмиссии, устремляясь под действием электрического поля к аноду. В электролитах молекулы распадаются в воде на положительно и отрицательно заряженные части, и становятся ионами — свободными носителями заряда в электролитах. То есть везде, где может существовать электрический ток, есть свободные носители заряда, способные перемещаться под действием электрического поля. Это и есть первое условие существования электрического тока — наличие свободных носителей заряда.

На заряд должны действовать сторонние силы

2. Второе условие существования электрического тока — на заряд должны действовать сторонние силы

Если теперь взглянуть на проводник, допустим это медный провод, то можно задаться вопросом: а что нужно для того, чтобы электрический ток в нем возник? Заряженные частицы, электроны, есть, они способны свободно перемещаться.

Что заставит их двигаться? Известно, что электрически заряженная частица взаимодействует с электрическим полем. Следовательно, в проводнике необходимо создать электрическое поле, тогда в каждой точке проводника возникнет потенциал, между концами проводника будет иметь место разность потенциалов, и электроны придут в движение по направлению поля — по направлению от «-» к «+», то есть в направлении против вектора напряженности электрического поля. Электрическое поле станет ускорять электроны, увеличивая их (кинетическую и магнитную) энергию.

В итоге, если мы рассматриваем просто приложенное снаружи к проводнику электрическое поле (поместили проводник в электрическое поле вдоль силовых линий), то электроны станут скапливаться у одного конца провода, и на этом конце возникнет отрицательный заряд, а поскольку с другого конца провода электроны сместились, то на нем будет иметь место заряд положительный.

В результате электрическое поле проводника, заряженного приложенным снаружи электрическим полем, будет такого направления, чтобы своим действием ослаблять внешнее электрическое поле.

Процесс перераспределения зарядов протечет почти мгновенно, и по его завершении ток в проводнике прекратится. Результирующее электрическое поле внутри проводника станет равным нулю, а напряженность по краям окажется равной по модулю, но противоположной по направлению к приложенному снаружи электрическому полю.

Если электрическое поле в проводнике создается источником постоянного тока, например батарейкой, то такой источник станет для проводника источником сторонних сил, то есть тем источником, который создаст в проводнике постоянную ЭДС, и будет поддерживать разность потенциалов. Очевидно, чтобы ток источником сторонних сил поддерживался, цепь должна быть замкнутой.

В таком случае электрическое поле в проводнике будет направлено от полюса источника с большим потенциалом к полюсу с меньшим потенциалом. Это поле будет ускорять свободные носители заряда в проводнике, создавая электрический ток.

Итак, для существования электрического тока необходимы следующие условия:

  • Наличие свободных носителей электрического заряда, таких как электроны, ионы или дырки.
  • Наличие разности потенциалов между двумя точками проводника, которая создает электрическое поле и заставляет носители заряда двигаться в определенном направлении.
  • Наличие замкнутого электрического контура, по которому может течь электрический ток.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Постоянный электрический ток: определение, механизм, характеристики

Закон сохранения заряда

Пример 2

Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I = 1 + 3 t . Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t , изменяющегося от t 1 = 3 с до t 2 = 7 c . Каким должен быть постоянный электрический ток, чтобы за аналогичное время происходило то же значение заряда?

Решение

Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:

I = d q d t ( 2 . 1 ) .

Формула ( 2 . 1 ) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t 1 до t 2 возможно таким образом:

q = ∫ t 1 t 2 I d t ( 2 . 2 ) .

Произведем подстановку имеющегося по условию закона в ( 2 . 2 ) для получения:

q = ∫ t 1 t 2 ( 1 + 3 t ) d t = ∫ t 1 t 2 d t + ∫ t 1 t 2 3 t d t = t 2 — t 1 + 3 · t 2 2 t 1 t 2 = ( t 2 — t 1 ) + 3 2 t 2 2 — t 1 2 ( 2 . 3 ) .

q = 7 — 3 + 3 2 ( 7 2 — 3 2 ) = 4 + 3 2 · 40 = 64 ( К л ) .

Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:

I c o n s t = q t ( 2 . 3 ) , где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q .

Тогда время протекания заряда равняется:

t = t 2 — t 1 ( 2 . 4 ) .

Выражение ( 2 . 3 ) примет вид:

I c o n s t = q t 2 — t 1 ( 2 . 5 ) .

Произведем подстановку и вычислим:

I c o n s t = 64 7 — 3 = 64 4 = 16 ( A ) .

Ответ: q = 64 К л . I c o n s t = 16 А . .

Условия существования электрического тока

Сегодня нам трудно представить, как раньше люди могли обходиться без электричества. В настоящее время электричество стало частью нашей жизни. Множество электрических приборов, делающих нашу жизнь комфортной, подключаются к домашней электрической сети.

Мы не можем видеть движение электронов в проводнике, но их упорядоченное движение проявляется очень наглядно.

  1. Проводник, по которому проходит электрический ток, нагревается. Это явление используется в обогревательных приборах, лампах накаливания, электроплитках.
  2. Хорошими проводниками электрического тока являются электролиты. При прохождении через них тока электролит не только нагревается, но и на электродах выделяется вещество.
  3. Попробуем поднести к проводнику с током магнитную стрелку, и мы увидим, как она отклоняется от своего первоначального положения.

О том, что в проводнике протекает электрический ток, можно судить по его тепловому (1), химическому (2)или магнитному (3) действию.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.


Такими заряженными частицами в металлах являются свободные электроны, покинувшие внешние оболочки атомов. Свободные электроны, подобно молекулам идеального газа, беспорядочно движутся между атомами и ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки.

Для возникновения электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле, которое поддерживается источниками электрического тока.

Таки образом, для существования тока в проводнике необходимы следующие условия:

1. Наличие свободных электронов.

2. Постоянно поддерживающееся в проводнике электрическое поле.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий