Неизменный ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, перемещающихся в одном направлении.
По теории данные заряженные частички относят к носителям тока. В проводниках и полупроводниках такими носителями являются электроны, в электролитах – заряженные ионы, в газах – электроны и ионы. Металлы характеризуются перемещением только электронов. Отсюда следует, что электрический ток в них – это движение электронов проводимости.
Итог прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих смесях приметно отличается. Наличие хим процессов в металлах при протекании тока отсутствует. В электролитах под воздействием тока происходит выделение ионов вещества на электродах. Различие заключается в отличии носителей зарядов металла и электролита. В металлах – это свободные электроны, отделившиеся от атомов, в смесях – ионы, атомы либо их группы с зарядами.
Нужные условия существования электрического тока
1-ое нужное условие существования электрического тока любого вещества – наличие носителей заряда.
Для сбалансированного состояния зарядов нужно равнение нулю разности потенциалов между хоть какими точками проводника. При нарушении данного условия, заряд не сумеет переместиться. Отсюда следует, что 2-ое нужное условие существования электрического тока в проводнике – создание напряжения между некоторыми точками.
Упорядоченное движение свободных зарядов, возникающее в проводнике как итог воздействия электрического поля, именуют током проводимости.
Такое движение может быть при перемещении в пространстве заряженного проводника либо диэлектрика. Схожий электрический ток получил название конвекционного.
Механизм воплощения неизменного тока
Для неизменного прохождения тока в проводнике следует подсоединить к проводнику либо их совокупы устройство, в каком повсевременно происходит процесс разделения электрических зарядов для поддержания напряжения в цепи. Данный механизм получил название источника тока (генератора).
Силы, разделяющие заряды, именуют посторонними. Они характеризуются неэлектрическим происхождением, действуют снутри источника. При разделении зарядов посторонние силы в состоянии сделать разность потенциалов между концами цепи.
Если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил приравнивается нулю. Отсюда следует, что суммарная работа сил A , действующих на заряд, равна работе посторониих A s t . Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется как:
ε = A q ( 1 ) , где значение q предполагает положительный заряд. Его движение происходит по замкнутому контуру. ЭДС – это не сила. Единица измерения ε = В .
Природа посторониих сил различна. В гальваническом элементе они являются результатом химических процессов. В машине с неизменным током таковой силой является сила Лоренца.
Главные свойства электрического тока
Условно принято считать направление тока за направление движения положительных частиц. Отсюда следует, что направление тока в металлах характеризуется обратным направлением относительно направления движения частиц.
Электрический ток обладает силой тока.
Сила тока I – скалярная величина, приравнивается производной от заряда q по времени для тока, который проходит через поверхность S :
Ток может быть неизменным и переменным. При постоянной силе тока с его направлением по времени ток именуют неизменным, а выражение силы тока для него воспримет вид:
I = q t ( 3 ) , где сила тока рассматривается в качестве заряда, проходящего через поверхность S в единицу времени.
По системе С И основная единица измерения силы тока – Ампер ( А ) .
Плотность – это векторная локальная черта. Вектор плотности тока j → способен демонстрировать, каким образом распределяется ток по сечению S . Его направление идет в сторону, куда движутся положительные заряды.
Значение вектора плотности тока по модулю равно:
j = d I d S ‘ ( 4 ) , где d S ‘ является проекцией простой поверхности d S на плоскость, перпендикулярную вектору плотности тока, d I – элементом силы, которая идет через поверхности d S и d S ‘ .
Представление плотности в металле может быть по формуле:
j → = — n 0 q e υ → ( 5 ) , где n 0 обозначается концентрацией электронов проводимости, q e = 1 , 6 · 10 — 19 К л – зарядом электрона, υ → – средней скоростью упорядоченного движения электронов. Если значение плотностей тока наибольшее, то
Нужна помощь педагога?
Опиши задание — и наши специалисты для тебя посодействуют!
Обрисовать задание
Закон сохранения заряда
Главным физическим законом считается закон сохранения электрического заряда. При выборе случайной замкнутой поверхности S , изображенной на рисунке 1 , ограничивающей объем V количество выходящего электричества в единицу времени ( 1 секунду) из объема V можно найти по формуле ∮ s j n d S . Такое же количество электричества выражается через заряд — ∂ q ∂ t , тогда получаем:
∂ q ∂ t = — ∮ S j n d S ( 6 ) , где j n считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности d S , при всем этом:
j n = j cos a ( 7 ) , где a является углом между направлением нормали к d S и вектором плотности тока. Уравнение ( 6 ) указывает нередкое употребление производной для того, дабы выполнить акцент на неподвижности поверхности S .
Выражение ( 6 ) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона воспримет вид:
∮ S j n d S = 0 ( 8 ) .
Отыскать формулу для того, дабы высчитать конвекционный ток при его появлении в длинноватом цилиндре с радиусом сечения R и наличием его равномерной скорости движения υ , который заряжен по поверхности умеренно. Значение напряженности поля у поверхности цилиндра приравнивается E . Направление скорости движения вдоль оси цилиндра.
Решение
Основой решения задачи берется определение силы тока в виде:
I = d q d t ( 1 . 1 ) .
Из формулы ( 1 . 1 ) следует, что может быть нахождение элемента заряда, размещающегося на поверхности цилиндра.
Напряженность поля умеренно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению:
E = σ ε 0 ( 1 . 2 ) , где σ является поверхностной плотностью заряда, ε 0 = 8 , 85 · 10 — 12 К л Н · м 2 . Выразим σ из ( 1 . 2 ) , тогда:
σ = E · ε 0 ( 1 . 3 ) .
Связь поверхностной плотности заряда с простым зарядом выражается с помощью формулы:
d q d S = σ ( 1 . 4 ) .
Используя ( 1 . 3 ) , ( 1 . 4 ) , имеем:
d q = E · e 0 d S ( 1 . 5 ) .
Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его характеристики:
d S = 2 π · R d h ( 1 . 6 ) , где d h является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра воспримет вид:
d q = E · ε 0 · 2 h · R d h ( 1 . 7 ) .
Произведем подстановку из ( 1 . 7 ) в ( 1 . 1 ) :
I = d ( E · ε 0 · 2 π · Rdh ) d t = 2 πRε 0 E dh dt ( 1 . 8 ) .
Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:
d h d t = υ ( 1 . 9 ) .
I = 2 π R ε 0 E υ .
Ответ: конвективный ток I = 2 π R ε 0 E υ .
Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I = 1 + 3 t . Найти значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t , изменяющегося от t 1 = 3 с до t 2 = 7 c . Каким должен быть неизменный электрический ток, дабы за аналогичное время происходило то же значение заряда?
Решение
База решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:
I = d q d t ( 2 . 1 ) .
Формула ( 2 . 1 ) указывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t 1 до t 2 может быть таким макаром:
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 ) .
Дабы найти неизменный ток для получения силы применяется формула:
I c o n s t = q t ( 2 . 3 ) , где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q .
Чем отличается напряжение от силы тока
Электричество в жизни современного человека играет гигантскую роль. Но далековато не все понимают принципы и ценность этого явления. Главные свойства электричества — это две зависящие друг от друга величины: напряжение и сила тока. Для того дабы знать, чем они отличаются друг от друга, необходимо осознать их природу. И то и это могут иметь как неизменный, так и переменный нрав.
Физические проявления
На физическом уровне почувствовать проявления электричества человеку можно только опосредованно. Если испытать на язык батарейку — можно ощутить пощипывание. Это следствие протекания малого тока через организм. Чувствительная слизистая языка уже чувствует это раздражение. Можно узреть искры статического напряжения между 2-мя заряженными объектами, к примеру, синтетическими тканями, либо в школьном опыте с динамо-машиной. Все это следствие скопления заряда либо потенциального напряжения.
Дабы выяснить, что такое сила тока, необходимо обусловиться с понятием заряда. Как понятно, вся материя в мире состоит из атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Посреди этих частиц не положительно и не отрицательно заряжены только нейтроны. Протоны и электроны владеют возможной энергией — электрическим зарядом, который, а именно, и держит атомы в цельном состоянии.
Протоны и нейтроны находятся в ядре атома. Электроны же, напротив, размещаются далековато от ядра и движутся вокруг него по орбитам, схожим с орбитами планет галлактики. Чем далее находится электрон от ядра, тем меньше его связь с центром атома, и тем проще он может потеряться. В разных материалах электроны ведут себя по-разному.
В металлах они слабо связаны с ядром и свободно передвигаются снутри вещества. Но их полное количество в предмете с нейтральным зарядом всегда должно соответствовать количеству протонов.
Если электроны вследствие каких-либо действий покидают вещество, они уносят с собой заряд. Соответственно, заряд, оставшийся в протонах вещества, будет накоплен этим веществом. Электроны могут унести заряд в случаях:
- Трения 2-ух веществ друг о друга.
- Воздействия ультрафиолета либо радиации.
- Резвого перепада температур.
Таким макаром, между предметами появляется разность потенциалов, либо напряжение, способное вызвать искру. А искра — это уже проявление электрического тока. Заряды различного знака всегда притягиваются друг к другу. Если электроны перебежали с 1-го материала на другой, то один материал накопил положительный заряд, а другой — отрицательный.
При их сближении электроны притянутся к положительно заряженному телу — и возникнет искра. Другими словами электроток — это движение заряженных ча
Аналогия с гидравликой
Слово ток имеет происхождение от слова течение. Соответственно, можно провести аналогию течения воды с электрическим током. Протекание воды может быть из 1-го места в другое, только если появляется сила, заставляющая ее выполнить это. В самом ординарном случае — это разница уровней воды. Другими словами возможная энергия, заставляющая жидкое вещество течь от более высокого уровня к более низкому.
Аналогом разности уровней воды будет разность потенциалов либо напряжение. Аналогом силы тока будет напор потока воды, создаваемый этой разностью уровней. Примеры потоков воды:
- Водопад.
- Поток, создаваемый водонапорной башней.
- Реки, текущие туда, где есть наклон местности.
Всюду вода течет туда, где уровень меньше, а электроток — от большего напряжения к наименьшему.
Связь величин законом Ома
Электротехнические величины также зависят и от материала, в каком протекает . Эти характеристики определяются электросопротивлением вещества. Сопротивление бывает как нескончаемо огромным у диэлектриков, так и падать фактически до нуля в критериях сверхпроводимости. Оно находится в зависимости от формы проводника (его длины и сечения) и вещества, из которого он сделан.
В обыденных критериях сопротивление определяется по закону Ома как отношение напряжения к силе тока на участке цепи. Другими словами разность потенциалов можно отыскать как произведение силы тока на сопротивление. Знать, чем отличается сила тока от напряжения очень принципиально для электротехнических расчетов. На этом базируются все базы функционирования электрических цепей.
Неизменный и переменный
Сила тока и напряжение могут быть как неизменными, так и переменными. Всепостоянство величины гласит о ее неизменности во времени. Напротив, переменные величины временами изменяют свое значение во времени. Если напряжение питания окажется переменным, то и сила тока, генерируемая им, будет переменной величиной. Это означает, что оба этих значения будут то возрастать, то уменьшаться. Форма сигнала может быть различной:
- Синусоидальный сигнал (плавное возрастание — убывание).
- Меандр (прямоугольный, треугольный сигнал), когда значение резко претерпевает изменение.
- Пульсирующий сигнал, изменяющийся то плавненько, то резко, согласно некоторому закону.
Вне зависимости от того, неизменным либо переменным является ток, его главное отличие от напряжения — то, что ток — это движение носителей заряда, а напряжение — причина этого движения.
