Сила тока

Что такое электрический ток

Слово “ток” обозначает течение, а электрический ток – это течение заряда. Какие же частицы обладают зарядом?

В металлах имеются свободные электроны, а в растворах солей, кислот или щелочей – положительно и отрицательно заряженные ионы. Все эти частицы могут участвовать в создании электрического тока. Но сами по себе заряженные частицы не создают электрический ток.

Чтобы в проводнике возник электрический ток, движение заряженных частиц должно быть упорядоченным. В соединительном проводнике свободные электроны перемещаются под действием электрического поля.

Итак, электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля.

Источники электрического тока

Чтобы получить электрический ток в проводнике, необходимо привести заряженные частицы в направленное движение. Но как получить ток, который существовал бы длительное время?

Возьмем два заряженных тела А и В, заряды которых равны по модулю, но противоположны по знаку, и соединим их проводником.

На отрицательно заряженном теле находится избыток электронов, на положительно заряженном теле – недостаток электронов. В проводнике на короткое время возникнет электрический ток. Он будет существовать до тех пор, пока не исчезнет электрическое поле.

Процесс разделения зарядов осуществляют источники электрического тока.

В источнике тока благодаря химическим или иным процессам (в зависимости от принципа его действия) происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц.

Эти разделенные частицы накапливаются на так называемых полюсах источника тока.

Примерами источников тока являются аккумуляторы. Они могут быть свинцовыми(кислотными), а также широкое применение получили железно-никелевые(щелочные).

В последние десятилетия наряду с традиционными источниками тока стали широко применяться источники, изготовленные на основе химического элемента лития.

Впечатляет также разнообразие габаритов источников электричества: от миниатюрныхбатареек для питания ручных часов и до мощных аккумуляторных батарей, устанавливаемых на подводных лодках.

Что такое сила тока

Подобно автомобилям разных конструкций и оснащения, заряженные частицы перемещаются в прямом или обратном направлении, быстрее или медленнее. Их скорость и концентрация создают «движение», только не на шоссе, а в проводнике.

Для количественной характеристики электрического тока в цепи вводится понятие силы тока. Силу тока обочначают буквой І.

Сила тока – физическая величина, равная отношению количества заряда к величине этого промежутка времени.

Это физическая величина, равная количеству заряда, проходящего за единицу времени через поперечное сечение проводящего материала-проводника. Его носители могут быть как отрицательно, так и положительно заряженные.

В первом случае, это электроны или отрицательные ионы-анионы, во втором – положительные ионы-катионы или «дырки» (пустоты в кристаллической решетке полупроводника, которые ведут себя как положительно заряженные частицы).

Электрическое напряжение

Нетрудно представить, что электрический ток подобен потоку воды в шланге. Если удерживать оба конца шланга на одном уровне, то никакого течения воды не будет.

Если же один из концов опустить вниз, то вода потечет с более высокого уровня на низкий. Разность уровней воды аналогична напряжению источника тока.

Чем выше напряжение (чем больше разница в уровнях воды), тем больше сила тока в цепи (тем быстрее движется вода в шланге).
Работу электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока Аэл.

Работа тока зависит от напряжения.
Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного электрического заряда из одной точки в другую и обозначают буквой U.

U=Аэл/q

Единица электрического напряжения называют вольтом.

1 В = 1Дж/Кл

Прибор, с помощью которого измеряют напряжение на полюсах источника тока или на каком-нибудь участке цепи, называют вольтметром. По внешнему виду и устройству вольтметр очень похож на амперметр.

На электрических схемах вольтметр изображают в виде кружка с буквой V.

Электрическое сопротивление

Если включать в цепь различные проводники, то сила тока будет различной.

Посмотрим на зависимость силы тока от вида проводника, включенного в цепь. Соберем цепь, состоящую из источника тока, ключа, лампочки и амперметра. Будем последовательно подсоединять проводники одинакового размера, но сделанные из разного материала: железа, меди, никеля.

Свечение лампочки и сила тока больше при подключении железного проводника, чем при включении никелевого, но меньше, чем при включении медного.

Разные проводники обладают различным сопротивлением электрическому току из-за особенностей в строении их кристаллической решетки.

Такая зависимость остается справедливой не только для металлов, но и для проводников другой природы, например электролитов.
Электрическое сопротивление – это физическая величина характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике.

Сопротивление обозначают буквой R.

Единицу сопротивления называют Ом (1 Ом). 1 Ом – это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1В сила тока равна 1А:

1 Ом = 1В/1А

Как возникает сила тока

Сила тока возникает из-за разности значений напряжения (или потенциалов) в начале и на конце проводника. Для поддержания разности потенциалов нужен источник энергии.

В зависимости от устойчивости показателя и направления протекания, ток бывает постоянным или переменным. Постоянный может существовать только в замкнутом контуре, в котором есть непрерывное круговое движение заряженных частиц. Например, в гальванических элементах – батарейках и аккумуляторах. В этих устройствах энергия вырабатывается благодаря химическим процессами.

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

Постоянный ток получают не только от батареек и аккумуляторов, но и путем выпрямления переменного, в частности, производимого генераторами.

Выпрямляемым на подстанции током питаются все тяговые виды транспорта с плавной регулировкой движения (метро, троллейбусы и др.)

Работа электронной аппаратуры от сети переменного источника в квартирах осуществляется посредством дополнительных приборов: блоков питания с выпрямителями сигналов, стабилизаторов напряжения.

В чем она измеряется и как посчитать

Сила тока измеряется в амперах – обозначение 1 А. Ампер – одна из семи основных единиц.

1А = 1Кл/c, где Кл (или С) – это кулон, единица измерения количества электрического заряда.

Сила тока обозначается символом I (согласно первой букве французского Intensite´ du courant).

Величина ее определяется по формуле I=qn Vср S cos a, где:

• q – сумма зарядов;
• n – концентрация частиц;
• Vср – средняя скорость их упорядоченного движения;
• S – площадь проводника;
• a – угол между вектором направления движения и вектором нормали (перпендикуляра) к поверхности проводника.

Ампер – единица измерения силы электрического тока.

Закон Ома

Экспериментально доказано, что во сколько раз увеличивается напряжение на участке цепи, во столько же раз увеличивается и сила тока на этом участке. То есть сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника.

График зависимости силы тока от напряжения будет представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат . Его называют вольт-амперной характеристикой цепи.

Зависимость силы тока от сопротивления  показывает, что чем больше сопротивление проводника, тем меньше сила тока при одном и том же напряжении между концами проводника. Поэтому сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника

Для участка цепи величина I рассчитывается по формуле немецкого физика Георга Ома, открывшего в 1926 г. закон взаимосвязи между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника:

I=U/R,

• U – напряжение (или падение напряжения, или разность потенциалов), измеряется в вольтах – обозначение В или V;
• R – сопротивление проводника, измеряется в омах – обозначение Ом или W.

Или по формуле I=UG, где обозначение G – это проводимость или электропроводность (величина, обратная сопротивлению, измеряется в сименсах, обозначение – См или S).

Расчет для полной цепи происходит по формуле I=e/R+r, где:

• e – ЭДС или электро-движущая сила в цепи, измеряется в вольтах;
• R – суммарное сопротивление всех приборов, включенных в цепь;
• r – внутреннее сопротивление источника напряжения.

Сила тока зависит от электрического напряжения (или разности потенциалов, или ЭДС). В случаях, когда r<>R, можно считать, что она обратно пропорциональна либо сопротивлению цепи, либо сопротивлению источника.

Закон Ома для полной цепи.

Значение I связано с показателем скорости преобразования электрической энергии – мощностью P (единицы измерения ватты -обозначение Вт или W). Для линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома, расчет P производится по формуле:

P=IU или P=I2R=U2/R.

Значение I прямо пропорционально мощности: I=P/U. В приборах большей мощности возникает ток большей силы.

Как измерить силу тока

Эту характеристику можно измерить с помощью амперметра. Прибор последовательно подключается к электрической сети (плюс к плюсу, минус к минусу). Чем ниже сопротивление амперметра, тем меньше его влияние на измерения, и тем они точнее. Если сопротивление амперметра стремится к нулю, он нейтрален и не влияет на показатели сети.

Работа амперметра основана на магнитном действии тока. Чем больше сила тока, проходящего по катушки, тем сильнее она взаимодействует с магнитом и тем больше угол поворота стрелки амперметра.

При измерении силы тока амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.

У каждой клеммы прибора стоит свой знак: “+” или “-“.

Клемму со знаком “+” нужно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком “-”  – с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

На электрических схемах амперметр изображают в виде кружка с буквой А.

Виды амперметров

По конструкции амперметры бывают:

• аналоговые (со стрелочной измерительной головкой);
• цифровые (с индикатором).

Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах.

По способу измерения:

1. Магнитоэлектрические, в которых отклонение чувствительной стрелки и показатели зависят от силы взаимодействия полей постоянного магнита и поля электрического тока в алюминиевой рамке, и угла поворота последней.
2. Электромагнитные, показатели которых меняются с подвижками железного сердечника под влиянием электромагнитного поля катушки.
3. Электродинамические, в которых отклонение стрелки связано с притяжением или отклонением подвижной катушки относительно неподвижной, соединенных последовательно или параллельно.
4. Тепловые, в которых при нагреве электрическим током происходит изменение длины металлической нити и положения связанной с нитью измерительной стрелки.
5. Индукционные, в которых связанный со стрелкой металлический диск отклоняется под воздействием электромагнитного поля неподвижных катушек.
6. Детекторные, в которых магнитоэлектрический прибор соединен с выпрямителем-детектором.
7. Термоэлектрические, которые состоят из нагревателя и магнитоэлектрического измерительного механизма.
8. Фотоэлектрические, в которых фотоэлектрический элемент преобразует световой поток в электрический.

Магнитоэлектрические приборы определяют только силу постоянного тока, индукционные и детекторные – переменного. Фотоэлектрические высокоточные приборы работают с постоянным током и током низкой и высокой частоты.

Остальные из перечисленных подходят для разных токов.

Приборы бывают многофункциональными, т.е. действующими в разных режимах. Например, мультиметр работает и как вольтметр, и как омметр, и как мегомметр (для высоких сопротивлений).

В всех современных измерительных приборах есть переключатель диапазона чувствительности.

Правила измерения

1. Амперметр включается в электросеть последовательно, «в разрыв цепи».
2. При включении прибора в сеть, необходимо соблюдать полярность, присоединяя «+» прибора к «+» источника тока, а «-» к «-».
3. Тестируемая линия при подключении должна быть обесточена. Иначе прикасание щупами прибора к проводам или контактам может вызвать короткое замыкание.
4. При высоких напряжениях в цепь переменного тока помимо амперметра включается трансформатор или шунт, в цепь постоянного – магнитный усилитель или шунт.
5. Тип амперметра для измерений выбирают в соответствии с типом электрического прибора или линии. Также учитывают требуемую точность показателей.

Перед подключением необходимо подробно изучить инструкцию к амперметру.

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.

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.

Рис. 5. В различных средах электрический ток создают такие заряды

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.

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.

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.

Рис. 9. Эталон силы тока 1 ампер в системе СИ

Выделим на каждом проводнике кусочек длиной 1 метр.

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

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

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

Один Ампер – много это, или мало

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

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

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

Лампа накаливания –примерно 0,5 Ампера.

Как видно, большинство электроприборов потребляют токи менее одного Ампера.

Поэтому, для тока часто применяют дольные единицы измерения:

миллиамперы, микроамперы, и наноамперы:

1мА (миллиампер)= 10⁻³ А

1мкА (микроампер) = 10⁻⁶ А

1нА (наноампер) = 10⁻9 А

Ток зарядки аккумулятора мобильного телефона может достигать 2 Ампер.

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

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

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

Для таких токов применяют кратные единицы: килоампер, мегаампер.

1КА (килоампер)= 10³ А

1МА (мегаампер) = 10⁶ А

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.

Рис. 13. Движение муравьев и движение зарядов во время протекания электрического тока можно сравнить

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

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

Условия существования постоянного тока

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

Для обозначения постоянного тока математики используют такую сокращенную запись:

[large boxed{ I = const }]

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

Рис. 14. Чтобы ток существовал, нужно, чтобы выполнялись такие условия

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).

Рис. 15. Если диэлектриком соединить два заряженных тела, электрический ток не возникает

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.

Рис. 16. После соединения проводником, заряженные противоположными зарядами электрометры разрядились

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

Рис. 17. Электроны двигаются против направления 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.

Рис. 18. Поток воды циркулирует благодаря насосу, поддерживающему разность давлений

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.

Рис. 19. Водяной насос в фонтане 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.

Рис. 21. Электрический ток источник может создать только в замкнутой цепи

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.

Постоянный электрический ток. Сила тока

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.

Условия существования электрического тока в проводнике:

• наличие свободных заряженных частиц;
• наличие электрического поля.

Напряженность электрического поля должна быть постоянной.

Цепь постоянного тока должна быть замкнутой.

Важно!
Тепловое движение заряженных частиц нельзя назвать электрическим током, так как оно беспорядочное.

Электрический ток можно обнаружить по его действиям:

• тепловому – при протекании тока проводник нагревается;
• химическому – изменяется состав вещества при прохождении электрического тока (электролиз);
• магнитному – электрический ток создает магнитное поле.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженной частицы.

Сила тока – это скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени, за которое этот заряд переносится.

Обозначение – ​( I )​, единица измерения в СИ – ампер (А) (является основной).

Вычисляется по формуле:

Если за одинаковые промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд, то ток постоянный.

Для измерения силы тока используют амперметр.

Условное обозначение на схемах:

Амперметр – измерительный прибор для определения силы тока в электрической цепи.

При измерении силы тока амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором измеряют, и с соблюдением полярности. Клемму амперметра со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока.

Для того чтобы включение амперметра не влияло на величину измеряемого тока, его сопротивление по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим. Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение силы тока больше предельно допустимого значения силы тока.

Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник (шунт), по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения.

Сопротивление шунта рассчитывается по формуле:

где ​( I_ц )​ – сила тока в цепи, ( I_а ) – максимально допустимая для данного амперметра сила тока, ( R_а ) – сопротивление амперметра, ​( n=frac{I_ц}{I_а} )​.

При этом цена деления прибора увеличивается в n раз, а точность измерений во столько же раз уменьшается.

Работающим с электрическими цепями надо знать, что для человеческого организма безопасной считается сила тока до 1 мА. Сила тока больше 100 мА приводит к серьезным поражениям организма.

Постоянный электрический ток. Напряжение

В проводнике, по которому протекает ток, заряды движутся под действием сил электростатического поля. Работу электростатических сил характеризуют разностью потенциалов или напряжением.

Электрическое напряжение – скалярная физическая величина, равная отношению работы по перемещению электрического заряда между двумя точками цепи к величине этого заряда.

Обозначение – ​( U )​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Формула для вычисления:

Напряжение равно разности потенциалов только в том случае, если рассматриваемый участок цепи не содержит источник тока (ЭДС = 0).

Измеряют напряжение вольтметром.

Изображение вольтметра на схеме:

При измерении напряжения вольтметр включают в цепь параллельно с тем прибором, напряжение на котором измеряют, и с соблюдением полярности. Клемму вольтметра со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Для того чтобы включение вольтметра не влияло на измерение напряжения, его сопротивление должно быть большим.

Для измерения напряжения больше, чем допустимое для данного вольтметра, используют добавочное сопротивление – резистор, включаемый последовательно с вольтметром.

Величина добавочного сопротивления рассчитывается по формуле:

где ​( U )​ – напряжение, которое нужно измерить, ​( U_В )​ – напряжение, на которое рассчитан вольтметр, ​( n=frac{U}{U_В} )​, ​( R_В )​ – сопротивление вольтметра.

При этом цена деления прибора увеличивается в ​( n )​ раз, а точность измерений во столько же раз уменьшается.

Закон Ома для участка цепи

Взаимосвязь между силой тока, протекающей по проводнику, и напряжением на его концах была экспериментально установлена Г. Омом и носит название закона Ома для участка цепи.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

График зависимости силы тока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой. Из закона Ома для участка цепи следует, что при постоянном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению. Следовательно, вольт-амперная характеристика для металлического проводника представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

Проводник с такими свойствами называется резистором.

Угол наклона графика к оси напряжений зависит от сопротивления проводника. Тангенс угла наклона графика равен проводимости резистора.

Электрическое сопротивление. Удельное сопротивление вещества

Электрическое сопротивление – свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока.

Обозначение – ​( R )​, единица измерения в СИ – Ом.

Объяснить наличие сопротивления можно на основе строения металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику встречают на своем пути ионы кристаллической решетки и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток.

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены, их длины, геометрической формы и температуры. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2.

Обозначение – ​( rho )​, единица измерения в СИ – Ом·м.

Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 1,7·10-8 Ом·м, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 м2 обладает сопротивлением 1,7·10-8 Ом. На практике часто используют единицу удельного сопротивления (Ом·мм2)/м.

Электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.

Формула для вычисления:

Сопротивление проводника увеличивается с ростом температуры. Удельное сопротивление зависит от температуры:

где ​( rho_0 )​ – удельное сопротивление при ​( T_0 )​ = 293 К (20°С), ​( Delta T=T-T_0 )​, ​( alpha )​ – температурный коэффициент сопротивления.

Единица измерения температурного коэффициента сопротивления – К-1.

При нагревании увеличивается интенсивность движения частиц вещества. Это создает трудности для направленного движения электронов. Увеличивается число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решетки.

Свойство изменения сопротивления при изменении температуры используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру, основываясь на зависимости сопротивления от температуры. У термометров сопротивления высокая точность измерений.

Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока

Для создания электрического поля в проводниках используют источник тока. Внутри источника тока происходит перераспределение зарядов, в результате которого на полюсах источника возникает избыток зарядов разных знаков.

Виды источников тока:

• электрофорная машина;
• термопара;
• фотоэлемент;
• аккумулятор;
• гальванический элемент.

Сторонними называются силы неэлектрической природы, действующие внутри источника тока.

Когда проводник соединяют с полюсами источника, то на внешнем участке цепи заряженные частицы движутся под действием электростатической силы. А внутри источника на заряды действуют сторонние и электростатические силы.

Под действием этих сил внутри источника происходит перемещение положительных зарядов от отрицательного полюса источника к положительному. Это перемещение происходит до тех пор, пока сторонние силы не станут равными электростатическим. При переносе заряда эти силы совершают работу. Работа сторонних сил по перемещению заряда компенсирует потери энергии заряженными частицами при их движении по цепи.

Электродвижущей силой (ЭДС) называется отношение работы сторонних сил по перемещению положительного заряда к величине этого заряда.

Обозначение – ​( varepsilon )​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Формула для вычисления:

где ​( Delta q )​ – модуль перенесенного заряда.

Если электрическая цепь содержит несколько источников тока с ЭДС ​( varepsilon_1,varepsilon_2,,…,varepsilon_T )​, то суммарная ЭДС ( varepsilon=varepsilon_1+varepsilon_2+…,varepsilon_T ).

ЭДС считается положительной, если направление обхода цепи против часовой стрелки совпадает с переходом внутри источника тока от отрицательного полюса источника к положительному полюсу.

На рисунке: ​( varepsilon_1>0,,varepsilon_2<0,,varepsilon_3>0. )​

Суммарная ЭДС: ( varepsilon=varepsilon_1-varepsilon_2+varepsilon_3. )

При подключении проводника к полюсам источника тока происходит перераспределение заряда на поверхности проводника, а внутри проводника возникает постоянное электрическое поле. Заряды начинают перемещаться по замкнутой цепи, в которой устанавливается постоянная сила тока.

Сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением.

Обозначение внутреннего сопротивления – ​( r )​. Единица измерения в СИ – Ом.

Закон Ома для полной электрической цепи

Полная электрическая цепь состоит из источника тока и проводников, представляющих внешнее сопротивление.

Закон Ома для полной электрической цепи

Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС, действующей в цепи, и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

Полное сопротивление – это сумма внутреннего сопротивления источника и сопротивления внешней цепи. Во внешней цепи ток идет по направлению электрического поля, внутри источника тока – против поля.

Напряжение на внешней цепи (падение напряжения):

Если цепь разомкнута, то ток внутри источника не проходит и ​( varepsilon=U )​.

ЭДС численно равна напряжению на зажимах источника тока (разности потенциалов на полюсах источника).

Сопротивление внешней цепи больше внутреннего сопротивления источника.

Если сопротивление внешней цепи мало ​( (R=0) )​, то возможно короткое замыкание. Сила тока короткого замыкания: ​( I_{кз}=frac{varepsilon}{r} )​Возрастание силы тока приводит к резкому увеличению количества теплоты и может стать причиной пожара. Для предотвращения возгорания в электрическую цепь последовательно включают предохранители.

Параллельное и последовательное соединение проводников

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.

Последовательное соединение проводников

При последовательном соединении начало одного проводника соединяется с концом другого.

При последовательном соединении сила тока во всех проводниках одинакова:

Общее напряжение ​( U )​ на проводниках равно сумме напряжений на отдельных проводниках:

Напряжение на проводниках прямо пропорционально их сопротивлениям:

Общее сопротивление равно сумме сопротивлений проводников, образующих цепь:

Если проводники имеют одинаковое сопротивление, то общее сопротивление находится по формуле:

где ​( n )​ – число проводников, ​( R_i )​ – сопротивление проводника.

Параллельное соединение проводников

При параллельном соединении проводники подключаются между одной и той же парой точек. Если в этой точке соединяются три и более проводников, то она называется узлом электрической цепи.

При параллельном соединении напряжение на всех проводниках одинаково:

Сумма сил токов, протекающих по проводникам, равна силе тока в неразветвленной цепи:

Это следствие того факта, что в точках разветвления цепи заряды не могут накапливаться.

Силы токов в разветвленных частях цепи обратно пропорциональны их сопротивлениям:

Величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников:

Если проводники имеют одинаковое сопротивление, то общее сопротивление находится по формуле:

где ​( n )​ – число проводников, ​( R_1 )​ – сопротивление проводника.

Если параллельно соединены два проводника, от общее сопротивление вычисляется по формуле:

Смешанное соединение проводников

Смешанное соединение проводников – соединение, при котором часть проводников соединена последовательно, а часть – параллельно.

Важно!
Чтобы рассчитать общее сопротивление такого участка или найти силу тока и напряжение при таком соединении, нужно:

1. разбить его на простые участки с последовательно или параллельно соединенными проводниками;
2. найти общее (эквивалентное) сопротивление каждого из этих участков;
3. составить эквивалентную схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных сопротивлений;
4. рассчитать сопротивление полученной схемы.

Если в схеме не удается выделить участки с последовательным или параллельным соединением проводников, то можно использовать такое правило: точки с одинаковыми потенциалами можно соединять и разъединять, ток между такими точками не идет.

На рисунке, если ​( R_1=R_2,R_4=R_5, )​ то потенциалы точек 1 и 2 равны. Резистор ​( R_3 )​ можно убрать на эквивалентной схеме – ток по нему не идет.

Точки с одинаковыми потенциалами есть в схемах с осью или плоскостью симметрии относительно точек подключения источника тока.

Если схема симметрична относительно оси, проходящей через точки входа и выхода тока, то точки равного потенциала находятся на концах симметричных сопротивлений (по ним идут одинаковые токи).

Если схема симметрична относительно оси, перпендикулярной линии, на которой лежат точки входа и выхода тока, то точки равного потенциала находятся на пересечении этой оси с проводниками.

Если в схеме нет участков с известным видом соединения и нет точек с равным потенциалом, то для расчета таких цепей используют правила Кирхгофа.

Правила Кирхгофа:

• Алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю:

Положительными считают токи, входящие в узел, отрицательными – выходящие из узла.

• В любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, имеющихся в контуре:

Порядок расчета цепи:

• выбрать направление токов во всей цепи;
• записать уравнения токов для узлов;
• записать уравнения для выделенных контуров. Произвольные замкнутые контуры выделяются так, чтобы каждый новый контур содержал хотя бы один участок, не входящий в ранее рассмотренные контуры;
• решить полученную систему уравнений.

Алгоритм решения задач на определение силы тока, напряжения или сопротивления на участке цепи:

• начертить схему цепи и указать на ней все элементы;
• установить, какие элементы цепи включены последовательно, какие – параллельно;
• расставить токи и напряжения на каждом участке цепи и записать для каждой точки разветвления (если они есть) уравнения токов и уравнения, связывающие напряжения на участках цепи;
• используя закон Ома, установить связь между токами, напряжениями и ЭДС;
• если в схеме делают какие-либо переключения сопротивлений или источников, уравнения составить для каждого режима работы цепи;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Работа электрического тока. Закон Джоуля–Ленца

Работа тока – работа сил электрического поля, создающего электрический ток.

Работа тока на участке цепи вычисляется по формуле:

Используя формулу закона Ома для участка цепи, можно работу тока вычислить так:

Работа тока в замкнутой цепи находится по формуле:

При протекании постоянного тока по металлическому проводнику электроны сталкиваются с положительными ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки. При этом электроны передают им энергию. Это приводит к нагреванию проводника. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время ​( t )​, равно:

Эта формула выражает закон Джоуля–Ленца: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, прямо пропорционально квадрату силы тока, времени его прохождения и сопротивлению проводника.

Мощность электрического тока

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ко времени, в течение которого она совершается.

Обозначение – ​( P )​, единица измерения в СИ – ватт (Вт).

Вычисляется по формуле:

Можно записать еще несколько формул для вычисления мощности электрического тока на участке цепи:

Полная мощность источника тока:

Коэффициент полезного действия источника тока:

При решении задач на тепловое действие тока нужно учитывать следующее:

1. Если на участке есть источник тока, то необходимо использовать для решения формулу закона Джоуля–Ленца:

2. Если сила тока в цепи постоянна, то удобно использовать формулу закона Джоуля–Ленца:

3. Если постоянно напряжение, то формулу:

4. Количество теплоты можно находить, используя формулы термодинамики.

Носители свободных электрических зарядов в металлах, жидкостях и газах

Одним из условий существования электрического тока является наличие свободных заряженных частиц.

Носители электрического тока:в металлах – свободные электроны; в электролитах – положительные и отрицательные ионы; в газах – электроны и положительные ионы; в полупроводниках – электроны и дырки; в вакууме – любые заряженные частицы, но чаще всего это электроны.

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. При протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества (опыт Рикке). Это значит, что ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда. Носителями заряда являются частицы одинаковые для всех металлов – электроны.

Сила тока в металлическом проводнике с площадью поперечного сечения ​( S )​:

где ​( q )​ – элементарный электрический заряд (заряд электрона), ​( n )​ – концентрация электронов проводимости, ​( v )​ – средняя скорость упорядоченного движения электронов.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыты Мандельштама и Папалекси, Стюарта и Толмена). Катушка с большим числом витков проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона.

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема. Электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между положительными ионами, образующими кристаллическую решетку металла.

У некоторых металлов и сплавов обнаружено явление сверхпроводимости. Это явление открыто в 1911 г. Камерлинг-Оннесом. При температурах ниже критической сопротивление проводника становится равным нулю. Значения критической температуры для чистых металлов изменяются в диапазоне от долей кельвина до 30 К. В настоящее время получены вещества с критической температурой 125 К. Сверхпроводящие свойства наблюдаются у ртути, свинца, олова.

Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей

Электрический ток в жидкостях

Жидкости, проводящие электрический ток, называют электролитами. К электролитам относятся водные растворы неорганических кислот, солей и оснований, многие соединения металлов в расплавленном состоянии. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

В результате электролитической диссоциации (распада нейтральных молекул на ионы) образуются положительные и отрицательные ионы. При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение. Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду).

Электролиз – явление прохождения электрического тока через электролит, сопровождающееся выделением веществ на электродах.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году.

Масса ​( m )​ вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду ​( Q )​, прошедшему через электролит:

Величину ​( k )​ называют электрохимическим эквивалентом.

Электрохимический эквивалент ​( k )​ равен отношению массы ​( m_0 )​ иона данного вещества к его заряду ​( q_0 )​:

где ​( M )​ – молярная масса вещества, ​( n )​ – валентность вещества, ​( F=eN_A )​ – постоянная Фарадея. ​( F )​ = 96,5·103 Кл/моль.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который нужно пропустить через раствор любого электролита для получения одного моля одновалентного вещества.

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве: получение чистых металлов (меди, алюминия), нанесение металлических покрытий (гальваностегия), изготовление копий с матриц (гальванопластика).

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы являются диэлектриками, но при определенных условиях газ может стать проводником. Процесс протекания электрического тока через газ называется газовым разрядом. Носители заряда в газе – свободные электроны и ионы. Проводимость в газах смешанная – электронно-ионная.

Свободные носители заряда в газах появляются в процессе ионизации. Ионизация – процесс вырывания электрона из атома. Наряду с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс – рекомбинация заряженных частиц.

Ионизацию вызывают нагревание газа, излучение (ультрафиолетовое, рентгеновское или гамма-излучение).

Выделяют два вида разрядов в газе: несамостоятельный и самостоятельный разряды.

Несамостоятельный разряд происходит под действием внешнего ионизатора и прекращается, как только ионизатор перестает действовать. Самостоятельный разряд происходит без действия внешнего ионизатора под действием электрического поля, существующего между электродами. С ростом напряженности электрического поля скорости свободных заряженных частиц растут. Достигая катода, такие частицы выбивают из него электроны (вторичная электронная эмиссия). Эти электроны, разгоняясь полем, вызывают ионизацию других молекул (ионизация электронным ударом). Число заряженных частиц нарастает лавинообразно, и внешний ионизатор не нужен для поддержания тока.

На рисунке участок ОАВ соответствует несамостоятельному разряду, участок ВС – самостоятельному разряду.

Виды самостоятельного разряда:

• тлеющий;
• дуговой;
• коронный;
• искровой.

Тлеющий разряд происходит в разреженном газе при низком давлении. Применяется в газосветных трубках, лампах дневного света, цифровых индикаторах, ртутных лампах низкого давления.

Дуговой разряд – разряд между электродами, нагретыми до высокой температуры при атмосферном или повышенном давлении. Применяется в ртутных лампах высокого давления, при сварке металлов, в электропечах, в источниках света (прожекторах).

Коронный разряд возникает при нормальном и повышенном давлении у заостренных электродов. У острия электрода напряженность электрического поля велика, и в этой области возникает ударная ионизация при атмосферном давлении. Коронный разряд может возникнуть в тонких проводах, находящихся под высоким напряжением. Это приводит к утечке электроэнергии. Применяется в электрофильтрах, громоотводах, счетчике Гейгера–Мюллера.

Искровой разряд – это прерывистый самостоятельный разряд при нормальном или повышенном атмосферном давлении газа в электрическом поле очень большой напряженности. Применяется при обработке металлов. Пример такого разряда в природе – молния.

Плазма – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности отрицательных и положительных зарядов одинаковы. При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и далее, резко усиливается процесс термической ионизации. Молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы.

В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра и ионосферы. Плазму можно наблюдать в рекламных газовых трубках, кварцевых лампах. За последние годы применение плазмы существенно расширилось. Высокотемпературная плазма (Т ∼ 106–108 К) из смеси дейтерия с тритием используется для осуществления управляемого термоядерного синтеза; низкотемпературная плазма (Т ≤ 105 К) – в различных газоразрядных приборах: газовых лазерах, ионных приборах.

Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковый диод

В природе существует большая группа веществ, занимающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по величине электропроводности.

Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых находится в интервале от 10-3 до 107 Ом·м. К типичным полупроводникам относятся германий и кремний, селен, теллур, мышьяк.

Удельное сопротивление полупроводника зависит от внешних факторов: температуры, освещенности, электрического поля. С ростом температуры удельное сопротивление полупроводника уменьшается. С ростом освещенности также происходит уменьшение сопротивления полупроводника.

Такой ход зависимости удельного сопротивления от температуры ​( rho(T) )​ показывает, что у полупроводников концентрация свободных носителей заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Объясним такую зависимость на примере германия.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум разным атомам. Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах, поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках значительно меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут появляться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченном движении участвуют свободные электроны и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток ​( I )​ в полупроводнике складывается из электронного ​( I_Э )​ и дырочного ( I_Д ) токов:

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок.

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Собственный полупроводник — полупроводник, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.

Важно!
Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Примесной проводимостью называют проводимость полупроводников при наличии примесей.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Электронная проводимость

Электронная проводимость возникает при введении в кристалл германия с четырехвалентными атомами пятивалентных атомов (например атомов мышьяка, ​( As )​).

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается лишним, он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным.

Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника.

Основными носителями заряда являются электроны. Концентрация свободных электронов намного больше концентрации дырок. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником ​( n )​-типа.

Дырочная проводимость

Дырочная проводимость возникает при введении в кристалл германия трехвалентных атомов (например атомов индия, ​( In )​). Атом индия с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места – дырки. На эти места могут переходить электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к движению дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов.

Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

p-n переход (электронно-дырочный переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок. Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости называется запирающим слоем. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение ​( U_З )​, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n-p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости. Если полупроводник с p-n-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от p-n-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через p-n-переход практически не идет. Напряжение, поданное на p-n-переход, в этом случае называют обратным. Незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов.

Если p-n-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p-n-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через p-n-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность p-n-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами.

Обозначение на схемах полупроводникового диода:

Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. Они используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода приведена на рисунке.

Полупроводниковые диоды имеют малые размеры, длительный срок службы, механическую прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры.

Основные формулы раздела «Законы постоянного тока»

Сила тока с точки зрения гидравлики

Думаю, вы не раз слышали такое словосочетание, как “сила тока“. А для чего нужна сила? Ну как для чего? Чтобы совершать полезную или бесполезную работу. Главное, чтобы что-то делать.  Каждый из нас обладает какой-либо силой. У кого-то сила такая, что он может одним ударом разбить кирпич в пух и в прах, а другой не сможет поднять даже соломинку. Так вот, дорогие мои читатели, электрический ток тоже обладает силой.

Представьте себе шланг, с помощью которого вы поливаете свой огород

Давайте теперь проведем аналогию. Пусть шланг  – это провод, а вода в нем – электрический ток. Мы чуть-чуть приоткрыли краник и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала. Сила струи очень слабая.

А давайте теперь откроем краник на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что можно даже полить соседский огород.

В обоих случаях диаметр шланга одинаков.

А теперь представьте, что вы наполняете ведро. Напором воды из какого шланга вы его быстрее наполните? Разумеется из зеленого, где напор воды очень сильный. Но почему так происходит? Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из желтого и зеленого шланга выйдет тоже разный. Или иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

Разберем еще один интересный пример. Давайте допустим, что у нас есть большая труба, и к ней заварены две другие, но одна в два раза меньше диаметром, чем другая.

Из какой трубы объем воды будет выходить больше за секунду времени? Разумеется с той, которая толще в диаметре, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 малой трубы. Следовательно, сила потока через большую трубу будет больше, чем через малую, так как объем воды, который протекает через поперечное сечение трубы S2, будет  в два раза больше, чем через тонкую трубу.

Что такое сила тока?

Итак, теперь давайте все что мы тут пописали про водичку применим к электронике. Провод – это шланг. Тонкий провод – это тонкий в диаметре шланг, толстый провод – это толстый в диаметре шланг, можно сказать – труба. Молекулы воды – это электроны. Следовательно, толстый провод при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий. И вот здесь мы подходим вплотную к самой терминологии силы тока.

Сила тока – это количество электронов, прошедших через площадь поперечного сечения проводника за какое-либо определенное время.

Все это выглядит примерно вот так. Здесь я нарисовал круглый проводок, “разрезал” его и получил ту самую площадь поперечного сечения. Именно через нее и бегут электроны.

За период времени берут 1 секунду.

Формула силы тока

Формула для чайников будет выглядеть вот так:

 

где

I – собственно сила тока, Амперы

N – количество электронов

t – период времени, за которое эти электроны пробегут через поперечное сечение проводника, секунды

Более правильная (официальная) формула выглядит вот так:

где

Δq  – это заряд за какой-то определенный промежуток времени, Кулон

Δt – тот самый промежуток времени, секунды

I – сила тока, Амперы

В чем прикол этих двух формул? Дело все в том, что электрон обладает зарядом приблизительно 1,6 · 10-19 Кулон. Поэтому, чтобы сила тока была в проводе (проводнике) была 1 Ампер, нам надо, чтобы через поперечное сечение прошел заряд в 1 Кулон = 6,24151⋅1018 электронов. 1 Кулон = 1 Ампер · 1 секунду.

Итак, теперь можно официально сказать, что если через поперечное сечение проводника за 1 секунду пролетят 6,24151⋅1018 электронов, то сила тока в таком проводнике будет равна 1 Ампер! Все! Ничего не надо больше придумывать! Так и скажите своему преподавателю по физике).

Если преподу не понравится ваш ответ, то скажите типа что-то этого:

Сила тока  – это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам,  Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

Сила тока и сопротивление

Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову – это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу – это элементарно.

Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения?

Первое, что приходит на ум – это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика.

Второе – это поставить шланг бОльшим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:

Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводу. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет “протащить” через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его “порвет”, то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях. Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит от того, на какую силу тока он рассчитан.

плавкий предохранитель

Как только сила тока через тонкий проводок  предохранителя превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в предохранителе в обрыве.

сгоревший плавкий предохранитель

Поэтому, силовые кабели,  через которые “бегут” сотни и тысячи ампер, берут большого диаметра и стараются делать из меди, так как ее удельное сопротивление очень мало.

Сила тока в проводнике

Очень часто можно увидеть задачки по физике с вопросом: какая сила тока в проводнике? Проводник, он же провод, может иметь различные параметры: диаметр, он же площадь поперечного сечения; материал, из которого сделан провод; длина, которая играет также важную роль.

Да и вообще, сопротивление проводника рассчитывается по формуле:

формула сопротивления проводника

Таблица с удельным сопротивлением из разных материалов выглядит вот так.

таблица с удельным сопротивлением веществ

Для того, чтобы найти силу тока в проводнике, мы должны воспользоваться законом Ома для участка цепи. Выглядит он вот так:

закон Ома

 

Задача

У нас есть медный провод длиной в 1 метр и его площадь поперечного сечения составляет 1 мм2 . Какая сила тока будет течь в этом проводнике (проводе), если на его концы подать напряжение в 1 Вольт?

задача на силу тока в проводнике

Решение:

 

Как измерить силу тока?

Для того, чтобы измерить значение силы тока, мы должны использовать специальные приборы – амперметры. В настоящее время силу тока можно измерить с помощью цифрового мультиметра, который  может измерять и силу тока, и напряжение и сопротивление и еще много чего. Для того, чтобы измерить силу тока, мы должны вставить наш прибор в разрыв цепи вот таким образом.

Более подробно как это сделать, можете прочитать в этой статье.

Также советую посмотреть обучающее видео, где очень умный преподаватель объясняет простым языком, что такое “сила тока”.

Электрический ток

По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.

Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.

А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У одного из них напор сильнее, у другого слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.

• Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Сила тока

Сразу возникает потребность в величине, которой мы будем «напор» электрического тока измерять. Такая, чтобы она зависела от количества частиц, которые протекают по проводнику.

Сила тока — это физическая величина, которая показывает, какой заряд прошел через проводник.

Сила тока I = q/t I — сила тока [A] q — заряд [Кл] t — время [с]

Сила тока измеряется в Амперах. Единица измерения выбрана не просто так.

Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который занимался изучением электрических явлений. А во-вторых, единица этой величины выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.

Здесь аналогии с водопроводом провести, увы, не получится. Шланги с водой не притягиваются и не отталкиваются вблизи друг друга (а жаль, было бы забавно).

Когда ток проходит по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются. А когда в противоположном направлении (по этим же проводникам) — отталкиваются.

За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.

Задача

Найти силу тока в цепи, если за 2 секунды в ней проходит заряд, равный 300 мКл.

Решение:

Возьмем формулу силы тока

I = q/t

Подставим значения

I = 300 мКл / 2 с = 150 мА

Ответ: сила тока в цепи равна 150 мА

Проводники и диэлектрики

Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.

• Проводники — это материалы, через которые электрический ток проходит. Самыми лучшими проводниками являются металлы.
• Диэлектрики — материалы, через которые ток не проходит. Изи!

Проводники	Диэлектрики
Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам	Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук

То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.

Направление тока

Раньше в учебниках по физике писали так: когда-то давно решили, что ток направлен от плюса к минуса, а потом узнали, что по проводам текут электроны. Но электроны эти — отрицательные, а значит к минусу идти не могут. Но раз уже условились о направлении, поэтому оставим, как есть. Вопрос тогда возникал у всех: почему нельзя поменять направление тока? Но ответ так никто и не получил.

Сейчас пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, туда и направлен ток. Здесь вопросов ни у кого не возникает.

Так и какая версия верна? На самом деле, обе. Носители заряда в каждом типе материала разные. В металлах — это электроны, в электролитах — ионы. У каждого типа частиц свои знаки и потребность в том, чтобы бежать к противоположно заряженному полюса источника тока. Не будем же мы для каждого типа материала выбирать направление тока, чтобы решить задачу! Поэтому принято направлять ток от плюса к минусу. В большинстве задач школьного курса направление тока роли не играет, но есть то самое коварное меньшинство, где этот момент будет очень важным. Поэтому запомните — направляем ток от плюса к минусу.

Источник тока

Вода в шланге берется из водопровода, ключа с водой в земле — в общем, не из ниоткуда. Электрический ток тоже имеет свой источник.

В качестве источника может выступить, например, гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции выделяют энергию, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения. По сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «-».

Амперметр

Мы знаем, куда ток направлен, в чем измеряется сила тока, как ее вычислить, зная заряд и время, за которое этот заряд прошел. Осталось только измерить.

Прибор для измерения силы тока называется амперметр. Его включают в электрическую цепь последовательно с тем проводником, в котором ток измеряют.

Амперметры бывают очень разными по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные — и это только самые распространенные.

Мы рассмотрим только принцип действия теплового амперметра, потому что для понимания принципа действия других устройств необходимо знать, что такое магнитное поле и катушки.

Тепловой амперметр основан на свойстве тока нагревать провода. Устроен так: к двум неподвижным зажимам присоединена тонкая проволока. Эта тонкая проволока оттянута вниз шелковой нитью, связанной с пружиной. По пути эта нить петлей охватывает неподвижную ось, на которой закреплена стрелка. Измеряемый ток подводится к неподвижным зажимам и проходит через проволоку (на рисунке стрелками показан путь тока).

Под действием тока проволока немного нагреется, из-за чего удлинится, вследствие этого шелковая нить, прикрепленная к проволоке, оттянется пружиной. Движение нити повернет ось, а значит и стрелку. Стрелка покажет величину измерения.