Электрический ток и закон Ома. Направленное движение заряженных частиц.

Содержание

В этом случае ЭМС обусловлена влиянием видимого, ультрафиолетового или инфракрасного излучения на процессы в полупроводниковых структурах. Такие силы возникают в фотоэлементах («солнечных батареях»). При воздействии света на внешнюю цепь возникает электрический ток.

Упорядоченное движение заряженных частиц: понятие и характеристики

Большое количество физических явлений, как микроскопических, так и макроскопических, имеют электромагнитную природу. К ним относятся силы трения и упругости, все химические процессы, электричество, магнетизм и оптика.

Одним из таких проявлений электромагнитного взаимодействия является упорядоченное движение заряженных частиц. Это незаменимый компонент почти всех современных технологий, используемых в самых разных областях — от организации нашей повседневной жизни до космических путешествий.

Общее понятие о феномене

Это вас заинтересует: Мыс Принца Уэльского — самая западная континентальная точка Северной Америки: координаты.

Равномерное движение заряженных частиц называется электрическим током. Это перемещение зарядов может происходить в различных средах с помощью частиц, иногда квазичастиц.

Предпосылкой для возникновения течения является упорядоченное, направленное движение. Заряженные частицы — это объекты, которые (как и нейтральные) имеют термохаотическое движение. Однако ток возникает только в том случае, если на фоне этого непрерывного хаотического процесса происходит общее движение зарядов в определенном направлении.

Вы найдете это интересным: Прогнозирование спроса: понятие, виды и функции.

При движении обычно электрически нейтрального тела частицы его атомов и молекул, естественно, движутся в одном направлении, но поскольку неравные заряды в нейтральном объекте уравновешивают друг друга, переноса заряда не происходит, и обсуждение тока в этом случае также бессмысленно.

Как возникает ток

Рассмотрим более простой вариант возбуждения постоянным током. Если к среде, которая, как правило, содержит носители заряда, прикладывается электрическое поле, начинается упорядоченное движение заряженных частиц в среде. Это явление называется дрейфом заряда.

Вкратце это можно описать следующим образом. В разных точках поля создается разность потенциалов (напряжение), т.е. энергия взаимодействия электрических зарядов в этих точках с полем, которая связана с величиной этих зарядов, различна. Поскольку хорошо известно, что каждая физическая система стремится к минимуму потенциальной энергии, соответствующему состоянию равновесия, заряженные частицы будут двигаться в направлении равновесного потенциала. Другими словами, поле совершает работу по перемещению этих частиц.

Вам будет интересно следующее: Организационная система: определение, основные функции, методы управления, задачи и операционные процедуры.

Когда потенциалы уравновешены, напряженность электрического поля равна нулю, т.е. исчезает. В то же время равномерное движение заряженных частиц, т.е. ток, прекращается. Для получения постоянного, т.е. не зависящего от времени поля, необходимо использовать источник тока, в котором заряды постоянно разделяются за счет выделения энергии в ходе определенных процессов (например, химических) и достигают полюсов так, что сохраняется электрическое поле.

Ток может генерироваться различными способами. Например, изменение магнитного поля влияет на заряды, введенные в проводящую цепь, и заставляет их двигаться в одном направлении. Этот ток называется индукционным.

Направление электрического тока в металлах

Отрицательно заряженные электроны движутся по металлическим проводам, т.е. ток течет от «-» источника к «+» источнику. Направление, в котором движутся электроны, называется действительным направлением. Но исторически в науке общепринятое направление тока — от источника «+» к источнику «-«.

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток способен вырабатывать различные виды энергии:

Тепловое — электрическая энергия преобразуется в тепло. Такое преобразование обеспечивает электроплита, электрический камин, утюг.
Химическое — электролиты под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы).
Магнитное (электромагнитное) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е. проводник с током приобретает магнитные свойства.
Световое — электрический ток разогревает металлы до белого каления, и они начинают светиться подобно вольфрамовой спирали внутри лампы накаливания. Другой пример — светодиоды, в которых свет обусловлен излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
Механическое — параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Основные параметры постоянного тока

Постоянный ток — это электрический ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени.

Наиболее важными параметрами электрического тока являются:

Сила тока. Обозначается как I. Единица измерения — А (Ампер).
Напряжение. Обозначается как U. Единица измерения — В (Вольт).
Сопротивление. Обозначается как R. Единица измерения — Ом.

Сила тока

Сила тока показывает, сколько заряда q протекает через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

I = q t …. = D q D t …. = N q e t .

N — число электронов, q e = 1, 6 — 10 — 19 кл — заряд электрона, t — время (с).

Заряд, протекающий через проводник в момент времени t с током, равным I :

Пример 1. Источник тока подключен к двум пластинам, погруженным в солевой раствор. Ток в цепи составляет 0,2 A. Какой заряд протекает между пластинами в ванне в течение 2 минут?

2 минуты = 120 секунд

q = I t = 0, 2 — 120 = 24 ( K l )

Заряд, который возник бы за время ∆t, если бы ток протекал равномерно от I₁к I₂:

Δ q = I 1 + I 2 2. Δ t

Сила тока и скорость электронов:

n — ( m-3 ) — концентрация, S (m 2 ) — площадь поперечного сечения проводника, v — скорость электронов.

Предупреждение.

Электроны движутся по проводнику со скоростью доли миллиметра в секунду. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙10 8 м/с.

Сопротивление

Удельное сопротивление металлов характеризует влияние тормозящего действия положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов:

ρ — удельное сопротивление, которое показывает, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и поперечным сечением 1 м 2 из данного материала. l — длина проводника (м), S — площадь его поперечного сечения.

Пример № 2: Медный провод имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Каково электрическое сопротивление медного провода, длина которого в 2 раза больше, а поперечное сечение в 3 раза больше?

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

Разделите электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого проводника:

R 2 R 1. = p 2 l 3 S. ÷ ρ l S. = ρ 2 l 3 S. .. — S ρ l. = 2 3 …

Таким образом, сопротивление второго проводника составляет :

Напряжение

Напряжение описывает работу, совершаемую электрическим полем для перемещения положительного заряда:

Пример 3: При перемещении заряда в первом проводнике электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении того же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определите отношение U₁/U₂напряжений на концах первого и второго проводников.

U 1 U 2. . = A 1 q. .. ÷ A 2 q. = A 1 q. . — q A 2. .. . = A 1 A 2. = 20 40. = 1 2. .

Закон Ома для участка цепи

Ток в цепи прямо пропорционален напряжению на концах цепи и обратно пропорционален ее сопротивлению:

Иллюстрация закона Ома.

Сила тока действует в направлении движения заряженных частиц (электронов). Сила тока противоположна сопротивлению: чем больше сопротивление, тем меньше сила тока (тем меньше электронов проходит через проводник в единицу времени). Однако напряжение способствует увеличению тока, как будто оно приводит в движение заряженные частицы и заставляет их двигаться равномерно.

Закон Ома для участка цепи с формулой для расчета сопротивления:

Вольт-токовая характеристика часто используется для сравнения и расчета сопротивлений. Это графическое представление зависимости между током и напряжением. Пример характеристики «ток-напряжение»:

Чем круче кривая, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения, указанные на осях.

Пример № 4: На схеме показана зависимость тока от напряжения в секции телевизора. Каково сопротивление на этом участке?

Точка на диаграмме, соответствующая 5 кВ, соответствует току 20 мА.

Сначала переведите единицы измерения в СИ:

R = U I. = 5000 0, 02. .. = 250 000 ( О м ) = 250 ( О м )

При определении сопротивления резистора студент измерил напряжение на резисторе: U = (4,6 ± 0,2) V. Ток через резистор был измерен настолько точно, что погрешность была незначительной: I = 0,500 A. Из этих измерений можно сделать вывод, что, скорее всего, речь идет о сопротивлении резистора,

(d) 8,8 Ом ≤ R≤ 9,6 Ом

Алгоритм решения

Что такое электрический ток

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов.

В металлических проводниках движутся отрицательные заряды, т.е. электроны.

В других проводниках, таких как жидкие электролиты, положительные и отрицательные ионы могут двигаться в определенном направлении.

В полупроводниках электроны и дырки несут заряд.

Примечания: Дыра — это псевдочастица, свободное пространство для электрона. Он заряжен положительно и может рассматриваться как пузырек в электронном газе.

Рисунок 5. В различных средах электрический ток создает такие заряды.

Мы видим, что электрический ток может быть вызван движением как положительных, так и отрицательных частиц.

В этом случае положительные частицы притягиваются к отрицательному полюсу источника тока и движутся к нему по цепи.

А отрицательные частицы также притягиваются к положительному полюсу источника тока и движутся к нему.

Примечание: Чтобы определить направление движения заряженных частиц, мы можем использовать коэффициент расхода воды: Заряды перемещаются, как вода, из тех мест, где их много, в те, где их мало. В начале развития теории электричества предполагалось, что в телах при протекании тока течет своего рода электрическая жидкость. Поэтому аналогия с потоком воды была перенесена на электричество. Позже выяснилось, что в корпусах нет электрической жидкости.

Если заряды движутся в одном направлении, то и ток имеет направление.

Куда направлен ток

Как выбрать направление электрического тока? К каким частицам, положительным или отрицательным, мы должны стремиться? Получается, что направление тока — это условное решение.

Физики согласны с тем, что направление электрического тока совпадает с направлением положительных зарядов. Таким образом, ток проходит от вывода «+» к выводу «-» источника тока.

Мы хотим знать направление вектора напряженности \(\large \vec \) электрического поля. Чтобы определить направление тока, мы должны предположить, что в этом поле движутся положительно заряженные частицы.

Положительные заряды движутся в направлении вектора \(\gross \vec \), а отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном вектору.

Примечание: В металлах электроны движутся от отрицательных значений к положительным, и ток течет от положительных значений к отрицательным.

Рис. 7. направление зарядов и вектор напряженности электрического поля.

Примечание: Направление движения заряда может быть определено косвенно. Когда ток течет по проводнику, он воздействует на этот проводник. Тепловое, химическое или магнитное воздействие тока известно.

Чем больше ток, т.е. чем сильнее ток, тем сильнее его действие.

Что такое поперечное сечение проводника

Электрический ток — это свободные заряды, движущиеся в проводнике в одном направлении. Его можно определить, если известно число заряженных частиц, прошедших через проводник.

Трубопровод может быть довольно длинным. Поэтому нецелесообразно измерять нагрузки по всей длине трубопровода.

Чтобы облегчить подсчет количества грузов, выберите любую точку на трубопроводе.

Мысленно проведите через эту точку плоскость, перпендикулярную трубопроводу. Поскольку эта плоскость в проводнике ограничивает площадь S, ее часто называют площадью поперечного сечения проводника.

Чтобы рассчитать силу тока, подсчитайте заряды, которые проходят через это сечение.

Как рассчитать площадь сечения

Проводник рассматривается как круглая трубка, аналогичная трубке, по которой течет жидкость. В этой аналогии мы также предполагаем, что по такой трубе движутся грузы; на рисунке они обозначены кружками.

Отметим точку на трубе. Давайте мысленно отрежем кусок трубы, сделав разрез вертикально. Стенки трубы в точке пересечения образуют границу круга.

Площадь полученного круга можно вычислить с помощью этой геометрической формулы:

\ большой \ упакованный= \pi \cdot R^>\

\Площадь круга определяется по следующей формуле,

\(\большой \pi \примерно 3.14\) — pi,

\(\large D \links(\text right)\) — диаметр круга,

\(\large R\links(\text right)\) — радиус круга,

Проводник может иметь не только простую цилиндрическую форму. Промышленность выпускает металлические провода квадратного, прямоугольного, треугольного или любого сечения. Понятно, что площади этих сечений должны рассчитываться по разным геометрическим формулам.

Сила тока по определению

Сила тока (ток) обозначается большой латинской буквой \(\large I\).

Непрерывный ток можно рассматривать как равномерное, направленное движение заряженных частиц. Равномерный — значит с одинаковой скоростью.

Если ток меняется, то меняется и скорость зарядов.

физическая величина;
отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника к длительности промежутка времени, в течение которого заряд проходил.

Ток равен заряду, который протекает через поперечное сечение проводника за одну секунду.

Для постоянного тока мы используем формулу

\(\big I \left(A

ight)\) — ток (сила) в амперах,

\(\большая \дельта q \линкс( \текст\райт)\) — это заряд в кулонах через поперечное сечение проводника,

\(\large \delta t \links( c

ight) \) — интервал времени (срез), за который прошел заряд,

Исключаем путаницу с понятием силы

Если электрический ток не изменяется ни по величине, ни по направлению, его называют постоянным.

сила тока,
электродвижущая сила,
лошадиная сила.

Если изменяется хотя бы одно свойство, то ток называется переменным. В разное время это будет по-разному. Если дано уравнение, описывающее, как изменяется заряд, то для расчета такого тока удобно использовать производную.

В прошлом в физике использовались такие термины, как.

силу тока измеряют в Амперах,
электродвижущую силу – в Вольтах,
а лошадиная сила – это единица измерения мощности, ее можно перевести в Ватты в системе СИ.

Эти подразделения имеют в своем названии слово «сила». Из техники мы знаем, что сила — это векторная величина и измеряется в Ньютонах. Однако не позволяйте этому ввести вас в заблуждение.

Ни одна из описанных величин не измеряется в ньютонах. Перечисленные количества имеют другие единицы измерения:

Необходимые условия поддержания электрического тока в цепи

Чтобы избежать путаницы, можно использовать слово «ток» вместо «интенсивность». Сравните выражения: «амперы измеряются в амперах» и «ток измеряется в амперах».

Свободные носители зарядов

Как видите, вместо «интенсивности» можно использовать «ток». Смысл не изменится.

Выше были выведены три условия наличия электричества в замкнутой цепи. Их следует детально изучить.

Первым необходимым условием существования электрического тока является наличие свободных носителей заряда. Заряды не существуют отдельно от их носителей, поэтому мы должны рассмотреть частицы, которые могут переносить заряд.

В металлах и других веществах с таким типом проводимости (графит и т.д.) это свободные электроны. Они слабо взаимодействуют с ядром и могут покидать атом и относительно свободно перемещаться в проводнике.

Свободные электроны также служат носителями заряда в полупроводниках, но в некоторых случаях мы говорим о «дырочной» проводимости (в отличие от «электронной») в этом классе твердых тел. Это понятие необходимо только для описания физических процессов; в действительности ток в полупроводниках — это все то же движение электронов. Материалы, в которых электроны не могут покинуть атом, являются диэлектриками. Они не находятся под током.

Электрическое поле

Газы, по сути, являются диэлектриками. В них нет свободных электронов — газы состоят из нейтральных атомов и молекул. Однако, когда газ ионизируется, возникает четвертое состояние материи, называемое плазмой. В нем также может протекать электрический ток, который создается направленным движением электронов и ионов.

Сторонняя сила для переноса зарядов

Ток может протекать и в вакууме (этот принцип лежит в основе работы, например, электронных ламп). Для этого необходимы электроны или ионы.

Электрохимическая природа

Несмотря на наличие свободных носителей заряда, большинство сред являются электрически нейтральными. Это происходит потому, что отрицательные (электроны) и положительные (протоны) частицы равномерно распределены, и их поля уравновешивают друг друга. Чтобы создать поле, заряды должны быть сосредоточены в одной области. Когда электроны сосредоточены в области одного (отрицательного) электрода, противоположный (положительный) электрод отсутствует, и создается поле, которое генерирует силу, действующую на носители заряда и приводящую их в движение.

И третье условие: Должна существовать сила, которая перемещает заряды в направлении, противоположном направлению электростатического поля, иначе заряды быстро уравняются в замкнутой системе. Эта внешняя сила называется электродвижущей силой. Его происхождение может быть различным.